1915年11月,爱因斯坦从以上这些事实中提炼出了引力场方程。
物理学家卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)写道:“尽管这个方程写出来不过半行,但在这个等式中,存在着一个丰富多彩的宇宙。”引力场方程预测光会在重的物体周围弯曲;相比谷底的时间,山顶的时间会膨胀;引力波可以在宇宙中传播,大恒星会坍缩成奇点(后来被称为“黑洞”)……“一连串梦幻般的预言,如同一个疯子的呓语,”罗韦利写道,“但最后都被证明了是真的。”
然而,即便这个等式就像从魔法棒中冒出来的守护神一样发出了新的预言,爱因斯坦仍然不太满意。
诚然,广义相对论可以描述绕着轨道运行的行星和弯曲的光子,但这些都是有限的有界系统,只是宇宙的一部分。爱因斯坦在给同事的信中写道:“相对论的概念是否可以一以贯之,还是会导致矛盾?这个问题急需解决。”他现在想要的是终极大奖,是所有狂欢节上那只最大的泰迪熊。
那么,广义相对论真的能描述整个宇宙吗?
这个问题非常符合积分学的精髓,它体现了从“很多很多的小东西”到“一个大的整体”的飞跃。
事实上,它确实涉及了积分问题;尽管爱因斯坦在1917年发表的著名论文中采用的是一个不同的解法,但在1918年,他发现自己实际上还是在求积分。爱因斯坦更喜欢这个求积分的新公式,他写道:“新的公式有一个巨大的优势,那就是……量作为积分常数出现在了基本方程中。”
这里的“量”指的是什么呢?别着急,我们晚些时候会说到。现在先聊聊,积分常数是什么。
关于这个问题,如果你问一个正在学微积分的学生,答案就是每个不定积分后面烦人的“ C”。这个花哨的符号与你正在计算的积分无关,但根据一些不成文的规定,你永远不能忘记“ C”,否则就会被小气又死板的阅卷老师扣分。
这个常数从何而来?正如我们在前文中讨论过的,积分和微分是互逆的运算过程。求积分时,我们会看着那个函数,然后问自己:它的导数是什么?
假设一个跑步者以每小时7英里的稳定速度行进。速度图是这样的:
那么积分呢,也就是位置图?嗯,以下是其中一种可能性: