第77章 现代物理学最伟大的发现

　　第七十六章现代物理学最伟大的发现：《狭义与广义相对论浅说》

　　爱因斯坦的相对论理论开创了物理学的新纪元，对20世纪人们思想和生活带来的影响是难以

　　估量的。也许，保罗·奥赫塞的话会得到大家的认同：“对爱因斯坦学说的历史作用，用‘

　　影响’一词是远远不够的，他提出的理论是‘变革性的’，原子时代产生于他的学说。他将

　　把人类引导至何处，我们无法预测。”

　　研究物理学创立相对论

　　艾尔伯特·爱因斯坦(1879～1955)是理论物理学家、数学家，相对论的创始人。

　　19世纪末20世纪初，自然科学取得了巨大的成就，电子理论、量子物理学相继创立，兴起

　　了现代物理学革命。与此同时，在数学领域也出现了黎曼几何，打破了长期占统治地位的欧

　　几里德几何。这一切都为爱因斯坦创立相对论奠定了坚实的基础。1902年，爱因斯坦开始进

　　行物理学研究。1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，这在当时就引起了很大的影响，但爱因

　　斯坦认为狭义相对论还存在有一定的缺陷，所以，他决定进一步地发展相对论的理论。1915

　　年，爱因斯坦经过深入的、刻苦的研究，最终建立了广义相对论。相对论理论提出以后，爱

　　因斯坦为了让更多的人了解相对论的思想，把自己的三篇论文编辑出版，这就是他的名著《

　　狭义与广义相对论浅说》。此书初版于1916年，中译本根据伦敦梅休恩出版公司1955年第15

　　版译

　　出。爱因斯坦一生的科学研究成果非常显著，他除了在相对论方面为20世纪的科学发展做出

　　了巨大的贡献之外，还在量子物理学方面有伟大的贡献。爱因斯坦的主要著作还有《相对论

　　的意义》(1923)、《布朗运动理论研究》(1926)、《宇宙的建造者》(1932)、《理论物理学

　　方法》(1933)、《物理学的进化》(1938)等。

　　《相对论浅说》科学大变革

　　《狭义与广义相对论浅说》全书正文分为“狭义相对论”、“广义相对论”、“关于整个宇

　　宙的一些考虑”篇，阐述了相对论的基本原理。爱因斯坦根据自然科学和几何学发展状况，

　　批判了欧几里德的几何，同时也接受和运用了非欧几何，以此建立和论证他的相对论理论。

　　狭义相对论有两个基本原理：

　　第一个原理是相对性原理，即物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性

　　。时间与空间观念都具有相对性。一个观察者看来是同时发生的事件，另一个向他作相对运

　　动的观察者看来便不是同时发生的。两个这样的观察者对两个事件之间的时间间隔的估计将

　　会不一致，同时他们对距离的衡量也会不一致。假定两个作相对匀速运动的观察者所得到的

　　光速相同，那么只要他们对时间与空间运用不同的量度，就能对于现象得到相同的自然规律

　　，并能精确地说明这种差别有多少，换句话说，每个观察者都有自己一套时间——空间的框

　　架，对于一切观察者全都相同的绝对空间时间是不存在的。

　　第二个原理是光速不变原理，即在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。并且通

　　过试验证明光速是速度的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运

　　动。运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应，都是相对论时空的基本属性，与物体内部结构

　　无关。如果物体速度比光速小得多，相对论力学就可解释牛顿力学。

　　在爱因坦提出狭义相对论后，他看到这个理论的局限性，因为它把相对性原理限制在两个作

　　相对匀速运动的惯性系里。否定了静止的以太作为特殊的坐标系，这是一大进步，但实际上

　　还没有真正解决经典力学中的古老难题：为什么惯性系在物理学中比其他坐标系都特殊，都

　　优越?这从经典力学的理论中是找不到任何回答的。爱因斯坦尖锐地意识到这是经典力学和

　　狭义相对论所“固有的认识论上的缺陷”。因此，扩大相对性原理的应用范围，自然就是他

　　下一个努力的目标。如果从相对性原理来看非匀速运动(加速运动系统或称非惯性系)会产生

　　什么结果呢?他对这个问题进行认真的思考，继续探求一种更普遍的物理理论。他相信相对

　　性原理的普遍性，相信在自然界中，任何实验都无法找到绝对运动。在1905～1906年间，为

　　了把相对性原理推广到加速运动系统，爱因斯坦接受了马赫的观点，认为非惯性系理论一定

　　要包括引力理论，然后他把引力问题确定为研究的目标。

　　非惯性系一定要包括引力理论。

　　长期以来，物理学家一直认为两种质量相等是理所当然的，无需从

　　理论上再加以研究。爱因斯坦经过一段时间的认真思索，认识到惯性质量与引力质量相等是

　　决引力问题的关键。以两种质量相等为基础，他提出著名的等效原理：一个加速度为a的非

　　惯性系，等效于含有均匀引力场的惯性系。换句话说，一个加速系统所看到的运动与存在引

　　力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦说：完全等效性这一假说，使我们不能说

　　任何参照系有绝对加速度，正如通常的相对论(狭义相对论)使我们不能说任何系统有绝对速

　　一样，并且它使一切在引力场中等加速下落成为当然的事。

　　发现“等效原理”，被爱因斯坦认为是他一生中最愉快的事。

　　在“等效原理”的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学

　　规律的数学形式是相同的。就这样，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系。然而正是由

　　于“广义协变原理”是狭义相对论的相对性原理的推广，因此爱因斯把这种引力理论称为

　　“广义相对论”。

　　广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性

　　质不再服从欧几里德几何，而遵循着非欧几何。比如19世纪，德数学家黎曼所建立的黎曼几

　　何学就是非欧几何学的一种，它

　　描写了非平直空间性质。爱因斯坦最终选择了黎曼的严格非欧几何作为广义相对论的时空模

　　型。他认为，现实的物质空间不是平直的欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间。它的弯曲程

　　度取决于物质在空间的几何分布。物质密度大的地方，则引力场的强度也大，时空就弯曲得

　　厉害。所以把绝对真空看做一个物理实体是毫无意义的。很显然，广义相对论所揭示的物质

　　同时空的关系，比起狭义相对论来说更为深刻。因为时空的性质不仅取决于物质运动，而且

　　更重要的是取决于物质本身的分布。这就从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。对非欧

　　空间所规定的一般条件，就

　　是广义相对论的引力定律；它不是力的定律，而是一套几何条

　　件。为了使读者更好地了解爱因斯坦的相对论，在这里再简单介绍一下爱因斯坦的三个

　　预言及其证实。

　　第一个，水星轨道近日点的运动。按照牛顿的引力理论，行星的运动轨道是椭圆形的，太

　　位于椭圆的一个焦点上。天文学家早已发现，牛顿理论所得的计算值与精确的观测值是有出

　　入的，在计入其他行星对水星的全部影响后，1859年法国天文学家勒威耶发现水星轨道近日

　　点运动的观测值与理论值相比每世纪快38″。1882年美国天文学家纽康重新测定这个值为每

　　世纪快43″。(注：今测值为42″.6)。按照广义相对论，行星绕太阳运动的椭圆轨道是很缓

　　慢地在它自己的平面上旋转，使得行星每运行一周，行星轨道的近日点便移动一个角度，其

　　数值以水星为最大，计算数值为每世纪43″.03，与观测数据相当接近。这就证实了广义相

　　对论所预言的第一个效应。

　　第二个，光线在引力场中的偏转。按照广义相对论，一光线穿过引力场时，其路径要发生偏

　　转。1915年，爱因斯坦预言，光线经越太阳表面时要偏转1″.7，他希望天文学家利用日全

　　的有利条件进行观测以证实他的预想。1919年，英国皇家学会对这个重要推论进行审查，为

　　派出了两个远征观测队，一个到巴西的索布拉尔，一个到西非的普林西比岛，其任务是拍摄

　　1919年5月29日的日全食照片，从而确定恒星发出的光是否受到太阳引力场的作用而发生偏

　　转，并且比较观测到的数值与相对论预言数值的差别。两地的观测结果于1919年11月6日公

　　布，它们证实了广义相对论的预言。

　　第三个，光谱线的红向移动是广义相对论预言的第三个效应。因为在强引力场中，时钟要变

　　慢，所以对以太阳为中心的引力场来说，太阳光从太阳表面传到地球，其光谱线的谱率应有

　　红移现象(即频率变低，波长变长)。1925年美国天文学家亚当斯通过对天狼星的密度很大的

　　伴星的

　　观测，确认了光谱线的红向移动，证实了爱因斯坦的预言。

　　这三个预言的效应在科学上得到了充分证实，充分说明了爱因斯坦的相对论是科学的、正确

　　的理论。

　　高深学说轰动世界

　　1919年，广义相对论所预言的光线经越太阳表面时要弯曲偏转1.7弧秒，被日全食的观测数

　　值所证实，广义相对论立即引起了社会的轰动。随后，许多实验相继证实了广义相对论的推

　　测结果，把广义相对论的声誉推向了高峰。

　　无疑，爱因斯坦的《狭义与广义相对论浅说》一书，是人类科学史上的一部划时代的著作，

　　它提出了一套崭新的科学理论，引起了科学史上的伟大变革，对整个人类思想的发展都产生

　　了巨大的深远的影响。

　　爱因斯坦在这本书中提出的广义相对论和狭义相对论，深刻地揭示了时间和空间的本质属性

　　，论证了时间和空间的内在联系和统一性；同时也发展和改造了牛顿力学，使之适用于更广

　　阔范围的力学现象，揭示了质量和能量之间的内在联系，以及力学和电磁学的统一性，对引

　　力提出全新的解释。使人们对世界的研究发展到了一个新的阶段。广义相对论成了现代宇宙

　　学理论的基础之一。相对论的提出是物理学思

　　想的一场重大革命。