讓我們再次回過頭來看看箱子里面的那位不幸的朋友。由于她看不到外面的世界,因此沒有任何外來信息能告訴她正在下落的事實。這時她決定嘗試做一個小實驗,從口袋里拿出激光筆瞄準(zhǔn)箱子的另一邊(見圖2—4)。當(dāng)她打開激光筆時,會看到箱子壁上的紅色激光點恰好水平,正如她所期望的那樣。這也是根據(jù)等效性原理我們期待她看到的景象——箱子里面的物理定律,必須和其他任何勻速運動中的情形是相同的。(如果光在箱子中不沿直線傳播,這一實驗將告訴她箱子正在下落,從而與等效性原理產(chǎn)生矛盾。)

但對身處箱子外面的我們來說,這一實驗又是什么樣的呢?從我們的角度看,激光束的傳播路徑不再是一條直線——相反它會沿著如圖所示的曲線路徑行進(jìn)。由于箱子正在下落,因此當(dāng)光到達(dá)箱壁的時候,箱壁已經(jīng)發(fā)生了移動。這時,如果要使激光束依然按照箱子內(nèi)的觀察者所見,直接擊中箱壁上(正在自由落體中)正確的點,這一束沒有質(zhì)量的激光也必須做自由落體運動。光必須和箱子中的人(以及箱子本身)產(chǎn)生對引力完全相同的響應(yīng)。

當(dāng)愛因斯坦進(jìn)行這部分假想實驗時,他發(fā)現(xiàn)他的結(jié)果對光的行為有著重大的含義。和任何有質(zhì)量的物體相同,光能量也必須受到引力的影響——在有引力場存在的情況下,光將沿一條彎曲的路線前進(jìn)。

由此,愛因斯坦的關(guān)鍵論述可以概括為以下幾點:

●引力等價于加速度。

●自由落體可以被定義為零加速度。

●因此,一個做自由落體運動的觀察者,等同于一個做勻速運動的觀察者(沒有引力場),所以她無法判斷出自己正在下落。

●因此,引力必然會像影響質(zhì)量那樣影響光線(否則,觀察者就可以利用光線,找到一些聰明的方法來分辨他們是否在下落),即在引力場的作用下,光會沿一條彎曲的路線傳播。

引力對光的影響不僅是理論上的——我們已經(jīng)看到了它在現(xiàn)實世界中的效果。由于引力的作用,當(dāng)光遠(yuǎn)離一個巨大物體時會損失能量。和一個球被拋到空中時將失去能量的原理一樣(球要克服地球的引力做功),當(dāng)光從地球表面?zhèn)鞑サ揭粋€更高的高度時,也會失去一部分能量。這種能量的損失被稱為引力紅移(gravitational redshifting)。7對光來說,能量的改變等同于顏色的改變。我們所看到的藍(lán)光是一種比紅光能量更高的光。如果將一束藍(lán)光從地球表面向上發(fā)射,并由一架盤旋在高空且配置有高敏光探測器的直升機(jī)進(jìn)行探測,我們會發(fā)現(xiàn)光束的視覺顏色發(fā)生了改變,并非常輕微地朝光譜的紅端移動——即“紅移”。