高一物理学习方法：相对论的发展进程

　　谁是20世纪最伟大的人？美国《时代》周刊通过数百位当世名人的遴选，爱因斯坦、富兰克林·罗斯福及甘地得票最高。而由英国物理学家史蒂芬·霍金撰文介绍的爱因斯坦，成为无可争议的20世纪最伟大的人。

　　史蒂芬·霍金教授，是当今世界最著名的物理学家，黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人，著名的《时间简史》的作者。现任剑桥大学数学中心主席，这个职位是牛顿生前职位。

　　旅美学者翟宏营，曾获英国牛津大学物理研究所特殊颁证的物理学家，现任休斯顿大学研究员；张岚，现为休斯顿大学材料科学博士生，美国物理学会会员。他们将史蒂芬·霍金的文章译成中文，通过本报介绍给读者。文章告诉我们相对论是怎样的？它是如何描述世界的？为什么说相对论改变了整个世界？请欣赏这篇不可多得的出自当今世界最著名的物理学家之手的关于相对论的初级读物。——编者

　　十九世纪后期，科学家相信他们对宇宙的完整描述已经接近尾声。他们想象一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。

　　然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。

　　在这些实验当中，阿尔波特·迈克尔逊和埃迪沃德·莫里1887年在美国俄亥俄州克里夫兰的凯斯研究所所完成的测量，是最准确细致的。他们对比两束成直角的光线的传播速度，由于围着自转轴的转动和绕太阳的公转，根据推理，地球应穿行在“以太”中，因此上述成直角的两束光线应因地球的运动而测量到不同的速度，莫里发现，无论是昼夜或冬夏都未引起两束光线光速的不同。不论你是否运动，光线看起来总是以相对于你同样的速度传播。

　　爱尔兰物理学家乔治·费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克·洛仑兹，最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩，而相对于“以太”运动的时钟会变慢。而对“以太”，费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。

　　这时候，工作在瑞士首都伯尔尼的瑞士专利局的一个名叫阿尔波特·爱因斯坦的年轻人，插手“以太”说，并一次性永远地解决了光传播速度的问题。

　　在1905年的文章中，爱因斯坦指出，由于你无法探测出你是否相对于“以太”的运动，因此，关于“以太”的整个概念是多余的。相反，爱因斯坦认为科学定律对所有自由运动的观察者都应有相同的形式，无论观察者是如何运动的，他们都应该测量到同样的光速。

　　爱因斯坦的这个思想，要求人们放弃所有时钟测量到的那个普适的时间概念，结果是，每个人都有他自己的时间值：如果两个人是相对静止的，那么，他们的时间就是一致的；如果他们间存在相互的运动，他们观察到的时间就是不同的。

　　大量的实验证明了爱因斯坦的这个思想是正确的，一个绕地球旋转的精确的时钟，与存放在实验室中的精确时钟确有时间指示上的差别。如果你想延长你的生命，你就可以乘飞机向东飞行，这样可以叠加上地球旋转的速度，你无论如何可以获得那零点几秒的生命延长，也可以以此弥补因你进食航空食品而带来的损害。

　　爱因斯坦认为的对所有自由运动的观察者自然定律都相同这个前提，是相对论的基础，这样说的原因是因为，这个前提隐含了只有相对运动是重要的。虽然相对论的完美与简洁折服了许许多多科学家和哲学家，但是仍然有很多的相反意见。爱因斯坦摒弃了19世纪自然科学的两个绝对化观念：“以太”所隐含的绝对静止和所有时钟所测量得到的绝对或普适时间。人们不禁要问：相对论是否隐含了任何事物都是相对的而不再会有概念上绝对的标准了？

　　这种不安从20世纪20年代一直持续到30年代。1921年，爱因斯坦由于对光电效应的贡献，得到了诺贝尔物理奖，但由于相对论的复杂及有争议，诺贝尔奖的授予只字未提相对论。

　　到现在我仍然每周收到2至3封信，告诉我爱因斯坦错了。尽管如此，现在相对论被科学界完全接受，相对论的预言已经被无数的实验所证实。

　　相对论的一个重要结果是质量与能量的关系。爱因斯坦的假定光速对所有的观察者是相同的，暗示了没有可以超过光速运行的事物，如果给粒子或宇宙飞船不断地供应能量，会发生什么现象呢？被加速物体的质量就会增大，使得很难进行再快的加速，要想把一个粒子加速到光速是不可能的，因为那需要无限大的能量。质量与能量的等价关系被爱因斯坦总结在他的著名的质能方程“E＝mc2”中，这或许是能被大街小巷妇孺皆知的唯一一个物理方程了。

　　铀原子核裂变成两个小的原子核时，由于很小一点的质量亏损，会释放出巨大的能量。这就是质能方程众多结论中的一个。1939年，第二次世界大战正阴云密布，一组意识到裂变反应应用的科学家说服爱因斯坦战胜自己是和平主义者的顾忌，去给当时的美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福写信，劝说美国开始核研究计划，这铸就了曼哈顿工程和1945年在广岛上空原子弹的爆炸。有人因原子弹而责备爱因斯坦发现了质能关系，但是这种责难就像因有飞机遇难折戟而责备牛顿发现了万有引力一样。爱因斯坦没有参与曼哈顿工程的任何过程并惊惧于那巨大的爆炸。

　　尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中重力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。

　　爱因斯坦从1907年就知道了这个不相容的困难，那时他还在波恩的专利局工作，但直到1911年，爱因斯坦在德国的布拉格工作时，他才深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。（这些都发生在“星际旅行”的时代之前，爱因斯坦是想到人处在电梯中而不是宇宙飞船中。但我们知道，如果不想让电梯碰撞的事情发生，你不能在电梯中加速或自由坠落许久）如果地球是完全平整的，人们可以说苹果因重力落在牛顿头上，与因牛顿与地球表面加速上升而造成了牛顿的头撞在苹果上是等价的。但是，这种加速与重力的等价在地球是圆形的前提下不再成立，因为在地球相反一面的人将会被反向加速，但两面观察者之间的距离却是不变的。

　　1912年在转回瑞士苏黎士时，爱因斯坦来了灵感，他意识到如果真实几何中引入一些调整，重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象，如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间－时间实体是弯曲的，那结果是怎样的呢？他的思想是，质量和能量将会造成时空的弯曲，这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果，物体将趋向直线运动，但是，他们的径迹看起来会被重力场弯曲，因为时空被重力场弯曲了。

　　在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下，爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论，这些抽象的理论，在玻恩哈德·瑞曼将它们发展起来时，从未想到与真实世界会有联系。1913年，在爱因斯坦与格卢斯曼合作发表的文章中，他们提出了一个思想：我们所认识的重力，只是时空是弯曲的事实的一种表述。但是，由于爱因斯坦的一个失误（爱因斯坦是个真正的人，也会犯错误），他们当时未能找出联系时空弯曲的曲率与蕴含于其中的能量质量的关系方程。

　　在柏林时，爱因斯坦继续就这个问题进行工作，他没有了家庭的烦扰，在很大程度上也未被战争所影响。1915年11月，爱因斯坦最终发现了联系时空弯曲与蕴含其中的能量质量的关系方程式。1915年夏天，在访问哥廷根大学期间，爱因斯坦曾与数学家戴维·希尔波特讨论过他的这个思想，希尔波特早于爱因斯坦几天也找到了同样的方程式。尽管如此，正如希尔波特所承认的，这种新理论的荣誉应属于爱因斯坦，而正是爱因斯坦将重力与弯曲时空联系起来。这还应感谢文明的德国，因为，是在那里，在当时的战争期间，这样的科学讨论及交流仍能够得以不受影响地进行，与20年后（指二战，编者注）所发生的事形成多么大的对比！