七通向廣義相對論之路

仔細(xì)研究過日食觀測所攝的照片之后，我可以確定地說，這一觀測結(jié)果毫無疑問印證了愛因斯坦的預(yù)言。就此可以得出明確的結(jié)論，即正如愛因斯坦引力理論所說的那樣，光在引力的作用下發(fā)生了偏斜。

在愛丁頓爵士1919年5月觀測日食之旅后，英國皇家天文學(xué)會科學(xué)家弗蘭克·戴森爵士證實愛因斯坦廣義相對論的正確性

親愛的媽媽，今天有好消息要告訴您。H.A.洛倫茲給我的電報中說，英國觀測隊對日食的觀測已確認(rèn)：光線在太陽引力的作用下確實發(fā)生了偏斜。

摘自1919年9月27日給母親保利娜·愛因斯坦的信，告知廣義相對論已通過實驗證實

二十世紀(jì)初《物理學(xué)紀(jì)事》，是世界上最負(fù)盛名的物理學(xué)學(xué)術(shù)刊物，幾乎所有懂德語的科學(xué)家都很重視它。就是這份刊物發(fā)表了愛因斯坦1905年的一系列重要論文。如果這些論文發(fā)表時能引起一些爭議那倒合了愛因斯坦的心意，他妹妹瑪雅在為其兄長寫的一篇小傳中透露，愛因斯坦當(dāng)時很希望這些論文能引起“尖銳的反對聲音和嚴(yán)厲的批評”。但是令他大失所望的是，論文發(fā)表后就如泥牛入海無聲無息，瑪雅描述當(dāng)時學(xué)術(shù)界的反應(yīng)僅僅是“冰冷的靜默”。不過這些靜默沒有持續(xù)多久，很快有人就此做出反應(yīng)。德國著名物理學(xué)家麥克斯·普朗克給愛因斯坦寫信，請求他解釋一下論文中一些表述不那么清楚的地方。愛因斯坦很快回信作了解釋。除了愛因斯坦本人，普朗克成為世界上第一個寫論文探討相對論的物理學(xué)家。這種尷尬局面很快有了突破，愛因斯坦在蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)的教授赫爾曼·明可夫斯基也對他的狹義相對論產(chǎn)生了興趣。明可夫斯基是一個數(shù)學(xué)家，他創(chuàng)造了一些物理學(xué)家常用的術(shù)語，如錐形光束，世界線（基本粒子在時空中保持同一性的時間和位置的運行通路）等。不過他更重要的成就是使學(xué)界開始注意愛因斯坦的狹義相對論。

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狹義相對論中用到兩個參照系，其中一個相對于另一個作直線勻速運動。愛因斯坦原以為大部分的物理現(xiàn)象都能夠適用于他的狹義相對論。但是，物理學(xué)家們，包括愛因斯坦自己，很快意識到這個理論在一種情況下解釋物理現(xiàn)象將產(chǎn)生問題，即在引力作用場中。人們追問：如果其中一個參照系相對于另一個作加速運動的話將會產(chǎn)生什么結(jié)果？這個追問也許是促使愛因斯坦把引力因素引入到相對論理論中的關(guān)鍵所在。

在狹義相對論發(fā)表之前，物理學(xué)界就對研究加速運動現(xiàn)象頗為頭疼。在一個作加速運動的參照系里將會發(fā)生奇怪的“假想力”現(xiàn)象。假設(shè)你在一輛車上以逆時針方向以相當(dāng)快的速度駕駛，如果速度快到一定程度你將被推往車外，即被推往駕駛室右邊。你感到有一種力量把你從繞著旋轉(zhuǎn)的圓心向外推，這就是所謂的離心力（Centrifugal，該詞來源于兩個拉丁語單詞，意為“從中心飛出”），但這個力其實并非真實存在?？焖僮鰣A周運動的車所產(chǎn)生的離心力使車傾向于與該車當(dāng)時運動方向垂直的方向運動，但車的慣性卻促使它向前作直線運動。這兩種力相互作用下，車最終得以繼續(xù)沿著原來的方向作圓周運動，離心力即為這兩種力相互抵消相互作用的合力，并不是一種真實存在的力。

要在相對論中把加速運動的因素考慮進去，愛因斯坦需要更多的靈感來解開這個迷局。1907年的某一天，正在苦思引力加速運動問題的他突然之間獲得所需的靈感，他后來把這次的靈光一現(xiàn)稱為“一生中最幸福的時刻”。當(dāng)時他受邀寫一篇概括狹義相對論研究進展情況的文章。這次約稿不是來自《物理學(xué)紀(jì)事》雜志，而是來自德國著名的物理學(xué)家約翰尼斯·斯塔克，他當(dāng)時是《輻射學(xué)年鑒》的編輯。愛因斯坦對此相當(dāng)重視，花了很多時間和精力準(zhǔn)備這篇文章，希望在文中把引力現(xiàn)象也概括到相對論理論中。他后來回憶道，他當(dāng)時正“坐在伯爾尼專利局的辦公桌前的椅子上”，那個幸福的靈感突然從腦中蹦出：如果一個人從屋頂摔下來，他感覺不到自己的體重。這正是他所需要的思路的突破！這個想法后來被稱為“等效原理”，即把一個參照系置于引力作用下，與其靜止?fàn)顟B(tài)時加上相應(yīng)的加速度效果是一樣的。有了這個等效原理，就可以將相對性原理擴展到非慣性系統(tǒng)中。愛因斯坦把這個發(fā)現(xiàn)寫入斯塔克約稿的理論回顧文章中。

其實類似的想法早已有之。16世紀(jì)時有一個著名的實驗，現(xiàn)在的人們將之視為一段傳奇。當(dāng)時意大利科學(xué)家伽利略從著名的比薩斜塔上作了鐵球自由落體實驗，其結(jié)果是質(zhì)量不同的兩個小球同時落地。這個實驗的影響是深遠的，它揭示了引力與物體的質(zhì)量成比例。而根據(jù)艾薩克·牛頓的理論，造成物體作加速運動的非引力與該物體慣性質(zhì)量相關(guān)。伽利略的實驗顯示這兩種現(xiàn)象是等效的，雖然他沒有具體解釋為什么會這樣。愛因斯坦的理論就是在這些認(rèn)識上進行進一步探索得出。他在有關(guān)等效原理的論述中認(rèn)為，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間是等級的。多年以后，在1964年，美國密蘇里州物理學(xué)家羅伯特·迪克利用高科技設(shè)備重新演示伽利略的自由落體實驗，他把三件體積相等物體，其中兩個由輕質(zhì)的鋁金屬制成，另外一個則由密度大得多的黃金制成，都置于一個高靈敏度的扭秤（利用扭力測量微力的一種儀器）通過飛船送到太空中。在太空中，宇宙飛船的飛行與地球引力相互抵消，達到一種沒有引力的理想情況，然后扭秤朝向太陽落下。如果引力和慣性質(zhì)量不一樣，則鋁制物體和黃金制物體落向太陽時，其速度將有細(xì)微不同，用扭秤可以輕而易舉測量出來。在實驗中迪克沒有發(fā)現(xiàn)有實質(zhì)意義的速度差異，愛因斯坦的理論再次安然通過了苛刻的高精度的實驗檢驗。迪克是一個興趣廣泛的物理學(xué)家，他所申請的專利涉及從衣服染料到輻射器具等廣泛的領(lǐng)域，他因為設(shè)計這個精妙的實驗和其他貢獻而應(yīng)該在相對論發(fā)展史上特別提及。當(dāng)許多物理學(xué)家們?yōu)閻垡蛩固箖?yōu)雅、簡潔而漂亮的著名等式而折服時，迪克發(fā)出了他很有深度的質(zhì)疑：為什么自然就應(yīng)該是優(yōu)雅、簡潔或漂亮呢？他開始著手構(gòu)建一套與愛因斯坦相對論相反的理論，這一理論也將置于所有檢驗過愛因斯坦理論的各種實驗中接受檢驗，因為如果實踐檢驗他的理論錯誤，則即可反證愛因斯坦理論的正確，他還為此設(shè)計出一系列非常聰明而精細(xì)的實驗。正是由于迪克的不懈努力，相對論理論才成更加為一個為實驗所證實的理論，從而成為物理學(xué)中最精確的理論之一。