爱因斯坦如何差一点搞砸了广义相对论？

1913年，阿尔伯特?爱因斯坦年夜致完当作了广义相对论。可是一个简单的错误让他对本身的理论再三思虑，备受熬煎，这一过程年夜约履历了两年时候。直至今天，数学家仍在试图解决他碰到的阿谁问题。

爱因斯坦在1915年末颁发了他的广义相对论，但他两年前就应该完当作了它。当后来的学者研究这段时候的爱因斯坦笔记本时，他们就看到完整的方程式，只是少了一两个细节。匹兹堡年夜学的爱因斯坦专家和科学史学家John Norton说：“这应该就是他最终得出的理论。

但在最后，爱因斯坦犯了一个严重的错误，使他陷入了不竭思疑和发现的困境之中——这差点使他掉去了最年夜的科学当作就。他决议的后果仍在今天的数学界和物理学中继续引起反应。

爱因斯坦在创立广义相对论时所犯的错误

广义相对论旨在代替牛顿的引力理论，这意味着它必需诠释牛顿方程可以或许诠释的所有物理现象，以及牛顿方程不克不及诠释的其他现象。然而，约在1913年6月时，爱因斯坦认为本身的理论呈现了一些问题，他的新理论无法诠释引力衰的问题——而牛顿的万有引力心猿意马律可以对此给出很好的诠释。Norton暗示：“回忆起来，这只是一个奇异的错误。”

为了改正这一认知缺陷，爱因斯坦认为他必需抛却他新理论的焦点特征之一，那就是爱因斯坦场方程——广义相对论方程，描述了时空的外形是若何跟着物质和能量的转变而演变的。为了描述这种演变，需要在时空上加一个坐标系统，例如经纬度，如许才能得知哪些点在哪里。

坐标系是人类发现的，熟悉到这一点很是主要。假设在一个坐标系中标识表记标帜一个点为(0, 0, 0)，而在另一个坐标系中标识表记标帜统一个点为(1, 1, 1)。它的物理属性并没有改变，只是我们用分歧的体例标识表记标帜了这个点。

加州年夜学尔湾分校的科学哲学家James Weatherall暗示：“这些标识表记标帜对我们来说是有效的，但它们并不是这个宿世界的素质工具。”

最初，爱因斯坦但愿他的方程式与坐标是无关的，他称之为“广义协变性”。这意味着无论我们利用哪种坐标系，城市发生准确的、一致的宇宙描述。但为领会决这个他误觉得的错误，爱因斯坦认为他必需抛却广义协变性。

爱因斯坦不仅在这方面掉败了，并且他还错上加错。他试图证实，即使在原则上，这个理论可能不具有坐标系自力的性质，因为它已经违反了因果纪律。正如一项针对爱因斯坦的研究所表白的那样，对于一个一流的脑筋来说，形当作一种似乎无法做到的且貌似合理的论点，很是简单。

不外，爱因斯坦实时改正了错误。到了1915年底，他知道德国年夜数学家年夜卫?希尔伯特已经将近完当作广义相对论的研究。在1915年11月的几个礼拜里，爱因斯坦回到了他已经获得两年多的广义相对论方程中，并进行了最后的润色。1915年11月，爱因斯坦一会儿颁发了四篇论文，起首颁布发表了广义相对论。自此今后，我们对物质宿世界的观点就完全改变了。

现在，爱因斯坦场方程具有广义协变性。这个理论表述了关于宇宙的不异物理真理——在能量和物质存在的环境下，时空是若何弯曲的，无论我们用什么坐标来标识表记标帜事物成果都是一样的。

然而，数学家和物理学家至今仍在环绕坐标系的问题进行研究。例如，他们尽力和谐广义相对论与量子理论之间的矛盾，部门原因是量子引力理论难以成长，并使之具有与爱因斯坦场方程不异的广义协变性。

Weatherall暗示：“从某种意义上说，之所以我们没有得出量子引力理论，是因为我们不知道若何用完全用坐标系自力的体例来表达爱因斯坦方程的解。”

在现实中，坚苦就在于弄清晰若何打破爱因斯坦方程的广义协变性——也就是说，若何选择一个适合解决特心猿意马问题的特心猿意马坐标系。对于研究黑洞不变性猜想的数学家来说，这个问题尤其主要。

若是存在一个合用于所有问题以及所有时空布局的同一坐标系，这个新证实将变得更轻易。但正如爱因斯坦在深受困扰的那些年所发现的一样，宇宙不会认可任何一个特心猿意马的坐标选择。