引 子
英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓教授是第一個(gè)通過(guò)觀測(cè)日食證實(shí)相對(duì)論的人，也是當(dāng)初屈指可數(shù)的幾個(gè)相對(duì)論專家之一。有一次，當(dāng)人們談?wù)撈稹暗厍蛏蟽H有三個(gè)半人理解相對(duì)論”時(shí)，他低下了頭，別人對(duì)他說(shuō)道：“我們都知道您肯定是其中之一，您似乎不必如此謙虛。”愛(ài)丁頓卻抬頭反駁道：“對(duì)不起，我不是謙虛，剛才我一直在想另外那半個(gè)人到底是誰(shuí)？”
這是一段逸聞，足以說(shuō)明相對(duì)論是何等的深?yuàn)W難懂。連當(dāng)時(shí)最頂尖的物理學(xué)家都不敢說(shuō)自己弄懂了相對(duì)論，更不要說(shuō)普通人了。
要了解相對(duì)論，就必須先了解它的來(lái)龍去脈。相對(duì)論不是憑空來(lái)的，它既是物理學(xué)矛盾的結(jié)果，也是前人研究成果的結(jié)晶。
在100年前的物理學(xué)界，由牛頓開創(chuàng)的經(jīng)典物理學(xué)似乎走到了盡頭，一系列新發(fā)現(xiàn)揭出了潛藏已久的物理理論危機(jī)，強(qiáng)烈沖擊著經(jīng)典物理學(xué)那看似巍峨輝煌的大廈。1900年，英國(guó)著名物理學(xué)家開爾文爵士在一次為瞻望20世紀(jì)物理學(xué)而作的報(bào)告中宣稱：“物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。”但他接著說(shuō)道：“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當(dāng)時(shí)用經(jīng)典物理理論所不能解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：黑體輻射實(shí)驗(yàn)和邁克耳遜以太實(shí)驗(yàn)。很快，這“兩朵小小的烏云”演變成兩場(chǎng)大風(fēng)暴，整個(gè)物理學(xué)界可謂是“山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓，黑云壓城城欲摧”。
隨后，20世紀(jì)物理學(xué)翻天覆地的革命開始了。開爾文爵士話音剛落，就在1900年，為了解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)，德國(guó)物理學(xué)家普朗克開創(chuàng)量子理論，掀開了物理學(xué)革命的燦爛一頁(yè)。
物理學(xué)革命另一個(gè)輝煌篇章則是由一個(gè)專利局小職員獨(dú)立寫就的，他就是——愛(ài)因斯坦，一個(gè)人類歷史上最深刻的思想家，一個(gè)純真而又孤獨(dú)的天才。
“以太”在哪里？
人們知道，水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽(yáng)光穿過(guò)真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過(guò)宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)——“以太”。
“以太”這個(gè)名詞源于古希臘，指的是青天或上層大氣。17世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家笛卡兒最先將以太引入科學(xué)，在笛卡兒看來(lái)，物體之間的所有作用力都必須通過(guò)某種中間媒介物質(zhì)來(lái)傳遞，因此，空間不可能是空無(wú)所有的，它被以太這種介質(zhì)所充滿。荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家惠更斯進(jìn)一步發(fā)展了以太學(xué)說(shuō)，認(rèn)為以太就是光波的介質(zhì)，由于光可以在真空中傳播，因此以太應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)之中。
19世紀(jì)，經(jīng)過(guò)法拉第、麥克斯韋、赫茲等人的努力，電磁學(xué)得到了蓬勃發(fā)展，形成了成熟完整的電磁理論。英國(guó)偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家法拉第證實(shí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，建立了電磁場(chǎng)的概念。接下來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了電磁學(xué)的基本方程組，這個(gè)方程組表明，電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波，而且電磁波在真空中的傳播速度是一個(gè)恒定的常數(shù)——30萬(wàn)千米/秒。最后，德國(guó)物理學(xué)家赫茲通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，首先捕捉到電磁波，證實(shí)了電磁波的存在，而且電磁波的很多性質(zhì)與光波相同，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波。
這樣，那個(gè)一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的神秘以太，不僅是光波的載體，現(xiàn)在也成了電磁波的載體。它是絕對(duì)靜止的參考系，一切運(yùn)動(dòng)都相對(duì)于它進(jìn)行。
但是，這么重要的以太怎么不見蹤影呢？直到19世紀(jì)末，人們從未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)過(guò)以太，找到想像中的以太已經(jīng)是擺在科學(xué)家面前最迫在眉睫的事了。假如以太存在，地球以30千米/秒的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，就像疾馳的火車相對(duì)于周圍空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一股風(fēng)一樣，就必然會(huì)遇到30千米/秒的“以太風(fēng)”迎面吹來(lái)，這“以太風(fēng)”也必然對(duì)光的傳播產(chǎn)生干擾，這種干擾可以產(chǎn)生一種效應(yīng),應(yīng)該可以通過(guò)光學(xué)儀器觀察到。為了觀測(cè)“以太風(fēng)”是否存在，1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜與美國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：“邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)”，即“以太漂移”實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓所有人都寒心不已：并沒(méi)有什么“以太風(fēng)”對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響，在地球同設(shè)想的以太之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)！
邁克耳遜——莫雷實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家處于左右為難的境地，他們或者必須放棄以太理論；或者必須相信地球是靜止的，這樣才不會(huì)與靜止的以太發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但這顯然是荒謬的。經(jīng)典物理學(xué)在這個(gè)著名實(shí)驗(yàn)面前，真是一籌莫展。
誰(shuí)來(lái)拯救混亂？
在那個(gè)世紀(jì)之交，尋找以太實(shí)驗(yàn)的徹底失敗，使物理學(xué)界處于一片混亂中，一些物理學(xué)家提出種種解釋，其中最著名的就是愛(ài)爾蘭物理學(xué)家洛侖茲和荷蘭物理學(xué)家菲茲杰若提出的“物體收縮假設(shè)”，他們認(rèn)為，任何相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的物體都可能因?yàn)橐蕴L(fēng)壓縮而變短，而這種縮短抵消了以太風(fēng)所產(chǎn)生的效應(yīng)，但因?yàn)樵谖矬w運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量物體長(zhǎng)短的尺子與被測(cè)量的物體在同步收縮，所以我們根本無(wú)法測(cè)量這種物體收縮效應(yīng)。他們還證明，以太風(fēng)還可以使物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間和測(cè)量者的時(shí)間同步變慢。而且，根據(jù)長(zhǎng)度收縮和時(shí)間變慢效應(yīng)，還會(huì)得出光速與參考系運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，是一個(gè)恒定的常數(shù)。
這個(gè)假設(shè)在形式上已經(jīng)與狹義相對(duì)論非常接近了，但物體在運(yùn)動(dòng)方向縮短，必然使其沿這一方向的密度加大，而實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種密度增加現(xiàn)象，因此洛侖茲的理論仍沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。
真正收拾這個(gè)殘局的人當(dāng)時(shí)還在上中學(xué)，即使在16歲的中學(xué)時(shí)代，他已經(jīng)在思考當(dāng)時(shí)最前沿的物理學(xué)問(wèn)題了。這個(gè)人就是愛(ài)因斯坦。他一直在苦思“以太之謎”，而他走的道路與所有的人都不同。
當(dāng)16歲的愛(ài)因斯坦在瑞士阿勞州立中學(xué)上學(xué)時(shí)(1895年)，他就無(wú)意中想到一個(gè)悖論：如果以光速追隨一條光線運(yùn)動(dòng)，他會(huì)看到什么情況呢？是一個(gè)在空間振蕩而停滯不前的電磁波，還是一條仍在行進(jìn)的光線？
按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度，是一個(gè)恒量，他看到的應(yīng)該是一條仍在以光速行進(jìn)的光線；然而按照牛頓力學(xué)的速度合成定理，不同慣性系的光速不同，他應(yīng)該看到停滯不前的電磁波。
我們?cè)倥e一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。例如，有兩輛汽車，一輛向你駛近，一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近，后一輛車的燈光遠(yuǎn)離。按照麥克斯韋的理論，這兩種光的速度相同，汽車的速度在其中不起作用。但根據(jù)速度合成定理，這兩項(xiàng)的測(cè)量結(jié)果不同。向你駛來(lái)的車將發(fā)出的光加速，即前車的光速=光速＋車速；而駛離車的光速較慢，因?yàn)楹筌嚨墓馑?光速－車速。
麥克斯韋理論與速度合成定理明顯相悖，為什么在力學(xué)中已被廣泛證明的相對(duì)性原理在電磁學(xué)方程中卻無(wú)法成立？是相對(duì)性原理有問(wèn)題還是電磁學(xué)方程有問(wèn)題？這使愛(ài)因斯坦感到特別訝異，他為此沉思了整整10年。
其實(shí)當(dāng)時(shí)其他科學(xué)家也考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，只不過(guò)不敢往深里想罷了，整個(gè)物理學(xué)界對(duì)這個(gè)問(wèn)題都沒(méi)有深入思考，大多數(shù)物理學(xué)家都只是試圖在舊理論的框架內(nèi)對(duì)這個(gè)矛盾進(jìn)行修補(bǔ)，只有法國(guó)著名科學(xué)家彭加勒（又譯“龐加萊”）敏銳地覺(jué)察到了這里深藏著物理學(xué)的危機(jī)，但他也沒(méi)找到解決辦法。
愛(ài)因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但光速的悖論又如何解決呢？
愛(ài)因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營(yíng)養(yǎng)。19世紀(jì)末，德國(guó)哲學(xué)家馬赫在其所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，在他看來(lái)，世界上所有的東西都是相互聯(lián)系和相互依存的，運(yùn)動(dòng)、時(shí)間和空間都是相對(duì)的。我們不能離開事物的變化來(lái)談?wù)摃r(shí)間，我們有時(shí)說(shuō)某物隨時(shí)間變化而變化，實(shí)際上是指某物隨其它許多事物的變化而變化；同樣，談?wù)撘粋€(gè)物體在絕對(duì)空間中的運(yùn)動(dòng)也是錯(cuò)誤的，物體的運(yùn)動(dòng)都不是相對(duì)于絕對(duì)空間，而是相對(duì)于別的物體而言的。
馬赫的理論給愛(ài)因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，愛(ài)因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論困擾了他10年之久的光速問(wèn)題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛(ài)因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，第二天，他又來(lái)到貝索家，說(shuō)：“謝謝你，我的問(wèn)題解決了。”原來(lái)愛(ài)因斯坦想清楚了一件事：不可能有確定的時(shí)間，時(shí)間與光信號(hào)的速度有一種不可分割的聯(lián)系，他找到了開鎖的鑰匙。
隨后，經(jīng)過(guò)5個(gè)星期的艱苦工作，一篇石破天驚的論文誕生了。這篇論文的標(biāo)題并無(wú)任何特異之處——《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，風(fēng)格也樸實(shí)無(wú)華，沒(méi)有令人目眩的數(shù)學(xué)技巧，但論文所闡述的原理卻徹底顛覆了人類亙古以來(lái)的時(shí)空觀，一場(chǎng)物理學(xué)革命開始了！
時(shí)空不絕對(duì)——狹義相對(duì)論
1905年6月30日，德國(guó)《物理學(xué)紀(jì)事》雜志接受了這篇論文，在同年9月出版的該刊第17卷上發(fā)表。在這篇永垂史冊(cè)的論文中，愛(ài)因斯坦提出了兩個(gè)簡(jiǎn)潔的原理：
一、光速不變?cè)?/p>
光在真空中的速度永遠(yuǎn)不變而且不可超越，它與光發(fā)射源自身的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。即是，對(duì)于站在地面上的人看，20米/秒的車上發(fā)出的光和即使以光速飛行的火箭（當(dāng)然是不可能的）上發(fā)出的光的速度是一樣的，均為30萬(wàn)千米/秒。
此前，麥克斯韋的電磁方程已證明了真空中光速恒定，和發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。而多次實(shí)際的測(cè)量也驗(yàn)證了光速在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的不變性。
二、相對(duì)性原理
這個(gè)原理來(lái)自牛頓力學(xué)中的力學(xué)相對(duì)性原理，它的最早提出者是伽利略。其含義我們已經(jīng)非常熟悉，就是所有運(yùn)動(dòng)中的事物都是相對(duì)的，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體相互速度需相加，兩個(gè)相向運(yùn)動(dòng)的物體相互速度需相減。
伽利略闡述了相對(duì)性原理，但他并未對(duì)空間和時(shí)間給出過(guò)明確定義；牛頓繼承了相對(duì)性原理，卻又只把它應(yīng)用于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，同時(shí)確立了絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間；愛(ài)因斯坦根據(jù)馬赫的理論，大大擴(kuò)展了相對(duì)性原理的思想，認(rèn)為空間和時(shí)間同樣具有相對(duì)性，都隨著事物的運(yùn)動(dòng)而變化，并沒(méi)有絕對(duì)的空間和時(shí)間。
這兩個(gè)原理合起來(lái)，就出現(xiàn)了一個(gè)全新的時(shí)空觀，那個(gè)困擾物理學(xué)界多年的“光速悖論”被一舉解決。原來(lái)，空間、時(shí)間和物體的運(yùn)動(dòng)是緊緊聯(lián)系在一起的，它們之間的相互關(guān)系永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)的變化中——當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度變快，時(shí)間被拉長(zhǎng)（變慢）、空間被壓縮。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)達(dá)到光速時(shí)，時(shí)間停止，空間被壓到幾乎成為一條線，這時(shí)速度達(dá)到極限（時(shí)間和空間也達(dá)到極限），處于恒定狀態(tài)，再也沒(méi)有超過(guò)光速的速度了。
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們已經(jīng)證明，不管我們行進(jìn)得多快，光的速度永遠(yuǎn)是c。這是因?yàn)槲覀冃羞M(jìn)得越快，我們的時(shí)鐘就走得越慢，我們的尺子也縮得越短，從而正好使我們無(wú)論何時(shí)測(cè)量光速所得的結(jié)果總是相同的。假定一個(gè)觀察者B帶著一把碼尺和一只座鐘，并把碼尺指向他運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)他向觀察者A旁邊走過(guò)時(shí)，在A看來(lái)他的尺子不足一碼長(zhǎng)，他的鐘也慢了。B相對(duì)于A的速度愈大，這差額也就愈大。假如B用光速在A的旁邊通過(guò)，我們得到的結(jié)果是驚人的，這時(shí)B的碼尺長(zhǎng)度將等于0，他的鐘也完全不走了。這就是說(shuō)光速是速度的極限。
現(xiàn)在，那個(gè)愛(ài)因斯坦思考了10年之久的悖論被解決了：如果他以光速追隨一條光線運(yùn)動(dòng)，看到還是一條以30萬(wàn)千米/秒的速度行進(jìn)的光線。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如果他以光速朝一條光線相反的方向運(yùn)動(dòng)，他看到的是一條以60萬(wàn)千米/秒的速度前進(jìn)的光線嗎？不，仍是一條以30萬(wàn)千米/秒的速度行進(jìn)的光線，因?yàn)樵谶@個(gè)速度下，時(shí)間已經(jīng)停滯，空間被壓縮到無(wú)限趨近于零，如果再向前超越，時(shí)間和空間都會(huì)變成負(fù)數(shù)了，這顯然是荒謬的。
空間、時(shí)間和速度其實(shí)是非常簡(jiǎn)單明晰的動(dòng)態(tài)關(guān)系，但由于我們都生活在低速運(yùn)動(dòng)的世界中，速度對(duì)時(shí)間和空間的影響微乎其微，因此我們根本察覺(jué)不到，只有到了亞光速以上運(yùn)動(dòng)的世界我們才會(huì)有明顯的感受。
相對(duì)論一經(jīng)問(wèn)世，那個(gè)惱人的以太問(wèn)題一下子迎刃而解。
當(dāng)時(shí)很多人已經(jīng)想到邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果意味著地面發(fā)出的光速始終是恒定的，它并不因地球的運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)很小的偏離。但既然地球明顯相對(duì)著以太（絕對(duì)靜止空間）在運(yùn)動(dòng)，為何光速始終不受影響？
謎底現(xiàn)在被狹義相對(duì)論揭開，這個(gè)宇宙中沒(méi)有絕對(duì)靜止的空間，也沒(méi)有絕對(duì)靜止的時(shí)間，因而根本就不存在特殊的絕對(duì)靜止的參照系——以太！愛(ài)因斯坦明確指出：“引入以太根本就是多余的，因?yàn)槲以谶@里提出的觀念將不需要具有特殊性質(zhì)的絕對(duì)靜止的空間。”
最后，有必要指明的是，狹義相對(duì)論并不是徹底推翻了牛頓力學(xué)，而是擴(kuò)展了它。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的時(shí)候，相對(duì)論公式就簡(jiǎn)化為牛頓力學(xué)公式。
參照系平等——廣義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論后，有兩個(gè)問(wèn)題一直使他感到不安：第一個(gè)是引力問(wèn)題。在牛頓理論中，兩個(gè)物體之間的引力作用是瞬時(shí)傳遞的，也就是以無(wú)窮大的速度傳遞，這與狹義相對(duì)論的極限光速原理相沖突；第二個(gè)是非慣性系問(wèn)題。狹義相對(duì)論和以前的物理學(xué)規(guī)律一樣，都只適合于作勻速運(yùn)動(dòng)或靜止的慣性系，還不適合作轉(zhuǎn)動(dòng)或作變速運(yùn)動(dòng)非慣性系，因此狹義相對(duì)論還有局限。
我們知道，要說(shuō)明一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)情況，必須選定另一物體作參照，這種用作參照來(lái)說(shuō)明其它物體運(yùn)動(dòng)情況和位置的物體，通常叫做參照物體，也叫參照系。如果選定的參照系在作勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止，這個(gè)參照系就是慣性系；如果選定的參照系在轉(zhuǎn)動(dòng)或作變速（加速或減速）運(yùn)動(dòng)，這個(gè)參照系就是非慣性系。假如現(xiàn)在你坐在一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的火車上，拉緊窗簾，你感覺(jué)不出車在動(dòng)，你自己坐得很穩(wěn)，地板上放一個(gè)小球，也穩(wěn)穩(wěn)地停在那里，就是說(shuō)都保持一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)火車這個(gè)參照系就是慣性系。但突然火車來(lái)一個(gè)急剎車，你向前跌了一下，球也向前滾去，參照系就從慣性系變成非慣性系了。
在現(xiàn)實(shí)世界中，勻速運(yùn)動(dòng)只是一種特例，非勻速運(yùn)動(dòng)卻處處存在，汽車突然啟動(dòng)、物體加速?gòu)母咛幝湎碌鹊龋覀兺ǔＲ缘孛鏋閼T性系，但這只是一種近似而已，因?yàn)榈厍蛴凶赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，嚴(yán)格地說(shuō)地面是屬于轉(zhuǎn)動(dòng)性質(zhì)的非慣性系。從邏輯上說(shuō)，一切自然規(guī)律都不應(yīng)該限于慣性系，必須考慮到非慣性系。那么，相對(duì)性原理應(yīng)該再一次擴(kuò)展到非慣性系。1907年，愛(ài)因斯坦在寫一篇介紹狹義相對(duì)論的文章時(shí)，突然想到了一個(gè)他“一生中最快樂(lè)的思想”：等效原理。
如果一個(gè)人從屋頂上自由下落時(shí)，同時(shí)丟下一塊石頭或其它什么東西，這些下墜的物體將與他肩并肩地下落。如果他只看著身邊下落的石頭，他就無(wú)法判斷自己和石頭是在下落還是在空中自由漂浮。這意味著，在他的鄰近，引力是無(wú)從觀測(cè)的，他感覺(jué)不到有引力場(chǎng)存在。換句話說(shuō)，他自由下落的小參照系“等效于”無(wú)引力情況下的慣性參照系。
或者，如果在電梯里丟下一串鑰匙，鑰匙會(huì)由于引力的作用掉到電梯的地板上；然后你再到遨游太空的宇宙飛船里丟下鑰匙，沒(méi)有了引力作用，鑰匙漂浮在空中，但這時(shí)飛船突然向上加速，鑰匙還是掉到了飛船地板上。顯然，在局部的區(qū)域內(nèi)引力作用和加速引起的慣性力是無(wú)法區(qū)分的，這就是說(shuō)，引力場(chǎng)的參照系和加速度的參照系是“等效”的。
由此，愛(ài)因斯坦得出結(jié)論，任何參照系都是平等的，不管靜止的也好，還是運(yùn)動(dòng)的也好，在引力場(chǎng)中也好，你站在任何一個(gè)參照系都不會(huì)改變你對(duì)世界的看法和對(duì)自然規(guī)律的表述。這就是著名的等效原理。
等效原理表明，既然非慣性系中的慣性力可以看作是慣性系統(tǒng)中的引力，那么經(jīng)過(guò)一些適當(dāng)變換的形式，相對(duì)性原理在非慣性系中也同樣可以適用。相對(duì)性原理從狹窄的慣性系擴(kuò)展到一切參照系，變成了廣義相對(duì)論。如此一來(lái)，狹義相對(duì)論被擴(kuò)展成廣義相對(duì)論。
當(dāng)然，廣義相對(duì)論數(shù)學(xué)方程的完全建立，已經(jīng)是1916年3月了，廣義相對(duì)論耗費(fèi)了愛(ài)因斯坦人生中最黃金的10年歲月。
空間變成彎曲的
廣義相對(duì)論為我們解決了光線是否受引力影響這一長(zhǎng)期難以回答的問(wèn)題。如果我們向一臺(tái)正在上升的電梯里發(fā)出一束光，因?yàn)楣馐ㄟ^(guò)電梯間這段時(shí)間里電梯已在向上移動(dòng)，所以光束將彎向電梯地板。根據(jù)等效原理，引力場(chǎng)也將使光線彎曲。
物理學(xué)有一條基本原理，就是光線在兩點(diǎn)之間走所需時(shí)間最少的路徑。然而，如果光線走所需時(shí)間最少的路徑，而光線在引力影響下彎曲，那么兩點(diǎn)之間的最短距離就是一條曲線。愛(ài)因斯坦被這個(gè)推論震驚了：如果光線能被觀察到以曲線傳播，那么這意味著空間本身是彎曲的！
連愛(ài)因斯坦都不相信自己了，他不得不尋求數(shù)學(xué)的幫助，具體地說(shuō)，是幾何學(xué)的幫助。在有引力場(chǎng)的區(qū)域，彎曲空間的性質(zhì)不再服從傳統(tǒng)的歐幾里德幾何，而遵循著非歐幾何。比如19世紀(jì)德國(guó)數(shù)學(xué)家黎曼所建立的黎曼幾何學(xué)就是非歐幾何學(xué)的一種，它描寫了彎曲空間的性質(zhì)。愛(ài)因斯坦最終選擇了黎曼的嚴(yán)格非歐幾何作為廣義相對(duì)論的時(shí)空模型。他認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)空間不是平直的歐幾里德空間，而是彎曲的黎曼空間。它的彎曲程度取決于物質(zhì)在空間的幾何分布。物質(zhì)密度大的地方，則引力場(chǎng)的強(qiáng)度也大，空間就彎曲得厲害。
根據(jù)等效原理，既然高速行進(jìn)的物體使時(shí)間變慢，那么強(qiáng)引力場(chǎng)也同樣會(huì)使時(shí)間變慢。地面上的時(shí)間就比高空中的時(shí)間要慢，只不過(guò)地球上時(shí)間快慢的差異太小了，探測(cè)起來(lái)極端困難。但像黑洞這樣強(qiáng)引力場(chǎng)區(qū)域時(shí)間變慢效應(yīng)就非常明顯了，如果你能勇敢地到達(dá)黑洞視界，那么視界上的時(shí)間就像光速中的時(shí)間一樣，停止了。
很顯然，廣義相對(duì)論所揭示的物質(zhì)同時(shí)空的關(guān)系，比起狹義相對(duì)論來(lái)更為深刻，因?yàn)闀r(shí)空的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而且更重要的是取決于物質(zhì)本身的分布，這就從新的高度徹底否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。對(duì)廣義相對(duì)論來(lái)說(shuō)，引力定律再也不是力的定律，而是時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)，因此，廣義相對(duì)論實(shí)質(zhì)上是把幾何學(xué)與物理學(xué)統(tǒng)一起來(lái)了，用空間結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)來(lái)表述引力場(chǎng)。在這樣的空間幾何中，引力的傳遞速度與光速相同。
1919年5月29日，日全食橫貫大西洋。英國(guó)天體物理學(xué)家愛(ài)丁頓及時(shí)組織了天文觀測(cè)隊(duì)，遠(yuǎn)征巴西北部和非洲西部沿海的普林西比島進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果證實(shí)，星光在通過(guò)太陽(yáng)的引力場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生了輕微彎曲。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了科學(xué)界，廣義相對(duì)論頃刻間聞名于世。
與狹義相對(duì)論不是推翻牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律一樣，廣義相對(duì)論也不是推翻了牛頓引力定律，只是在大質(zhì)量物體形成了強(qiáng)引力場(chǎng)的情況下，才需要考慮相對(duì)論效應(yīng)。
相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)積聚了前人無(wú)數(shù)的心血，麥克斯韋電磁學(xué)方程組的創(chuàng)立、尋找以太的失敗、馬赫時(shí)空相對(duì)性的思想、洛侖茲變換方程、黎曼曲面幾何……所有這一切，經(jīng)由愛(ài)因斯坦那智慧的大腦，變出了一個(gè)美輪美奐的相對(duì)論。
相對(duì)論的基本道理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，它就是把相對(duì)性原理不斷擴(kuò)展開來(lái)。在狹義相對(duì)論中，相對(duì)性原理被擴(kuò)展到時(shí)間和空間；在廣義相對(duì)論中，相對(duì)性原理又被擴(kuò)展到慣性系和非慣性系。最深刻的理論其實(shí)就是最簡(jiǎn)潔的理論。
聯(lián)系客服
