爱因斯坦(18)_应天故事汇

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一八

广义相对论的初始思想是从非常一般的前提——惯性质量和引力质量的等价性中推导出来的。在古典力学中，这种等价性用引力场的特性是无法解释的，因为在其他场，例如在电场的场合下，并没有这种等价性。广义相对论把上述等价性纳入了彼此有联系的规律体系中，纳入宇宙统一的因果公式中。因而世界图象更趋近于“内在的完备”。消除“古典的理想”用惯性系统来任意限制相对性，就起到了这种作用。　　在“外部的证实”方面，它碰到了新的事实——光的重量。这个事实意味着，不仅力学过程，而且光学过程在加速运动的系统中，都遵循相对性原理。由此可以提出，不是古典相对性原理，而是爱因斯坦在1905年发现的理论得到了推广，反常的空-时相关关系被推广在所有的运动中。　　等价性原理本身还不能说明在相当大的空间区域中的加速运动的相对性。在两个升降机上，其中一个处于引力场中并且是静止的，而另一个在加速运动着。　　如果用线把两个重物悬挂在第一个升降机的天花板上，引力的方向指向地心，这些方向相交于地心，因此严格地说，重物所拉紧的线不是平行的。如果把重物悬挂在第二个加速运动着的升降机天花板上，惯性力使线拉紧却是严格平行的。在狭小的升降机中，其区别觉察不出来，但是要否定某个大区域内引力和惯性的等价性，这样的区别就足够了。　　爱因斯坦到底还是证明了加速运动的相对性。为此，他把引力同空-时弯曲等同起来。假定有一张曲线力图，图上沿着一根轴记下以厘米计算的物体走过的距离，而沿着另一根垂直于第一根轴的轴记下以秒计算的经过的时间，如果物体作惯性运动，那末它的运动在这种空-时曲线图上将由一条直线表示；如果物体作加速运动，它的运动将由一条曲线表示。如果所有的物体（包括光量子）在引力场中都使自己的世界线变弯，如果全部世界线都变弯，我们就可以说空-时整个说来是弯曲的。　　爱因斯坦曾假定，只有空间是弯曲的，而时间并不弯曲。因此，从地理上的给定地点出发，沿最短路径到宇宙旅行，人们将沿一条闭合的空间轨迹移动，并将在另一时间，譬如说是在公元万亿年，返回到同一地点。也就是说，宇宙空间是有限的，而时间是无限的。　　光的引力质量概念和光线在重物作用下——在物体的引力场中发生相应的弯曲的概念，使人想起牛顿在《光学》中提出过的问题。不过，这里的类比纯粹是外在的。牛顿是用光离开物体的现象来解释衍射，而且同物体的质量无关。爱因斯坦的光子概念在某种程度上是回复到牛顿的观点。　　这一概念也没有直接的实验根源，它属于类似列维叶的发现，或把未发现的元素列入门捷列夫周期表那样的一些发现：在这些发现中，理论上的推测走在实验证明前面去了。对爱因斯坦来说，这些发现的存在是反对最新实证论、唯我论形式的一个不容置疑的论据。引力场中光线弯曲的概念的形成，是说明爱因斯坦“内在的完备”和“外部的证实”公式的一个好例证。狭义的理论的“外部的证实”成了初始的事实，它不可能使现代的人们吃惊。相反，广义的理论最先具有崇高的和不容争辩的“内在的完备”，而且使它得到了“外部的证实”的观察却令人吃惊。这种观察除证明了唯理论思想外，还导致了关于现实的可靠观念。　　在1971年初，著名的英国天文学家和物理学家爱丁顿发表了一个对发展相对论极为重要的想法，即有可能用直接的观察验证光是否具有引力的质量。　　爱丁顿属于进一步深入研究和普及爱因斯坦思想的积极参加者。至今还流传这样一次有趣的对话，有一次，有人对爱丁顿说，他是真正懂得相对论思想的三个学者之一，并且注意到爱丁顿脸上为难情绪后，就开始使他相信这真是这么一回事。爱丁顿回答说：“不，我不过在问自己，您认为的第三个学者是谁呢？” 　　另外一些人说，爱丁顿的特点是有惊人的科学想象力和发明能力。他导致了对相对论的命运有非常重大影响的天文观察思想的产生。如果说光具有引力质量，即重量，当它从重物附近经过时，就不可避免地要向重物方面偏倾，就像地球上空飞行的炮弹偏向地面，最后落地一样。根据爱因斯坦引力论得出，光线经过地球附近时，将偏向一面的情形会觉察不出来，光线在一秒过程中总共偏倾10米。当经过更重的物体附近，即受到引力更大的作用时，光线偏倾的程度将更大。太阳附近光的偏倾将比地球附近大27倍。　　如果恒星光在射抵地球之前经过太阳附近，它将偏倾，在星空照片中这颗星的图象与没有太阳时所拍的照片相比，将发现有位移。但是，当太阳当空时，星星，特别是太阳光盘附近的星星，既不可能看到，也不可能拍摄下来。因此，必须在日蚀的时候才能给太阳光盘附近看得见的星星拍照，需要选择这样一次日蚀，那时太阳正好位于亮星的光路上，这一次日蚀在1919年5月29日发生。爱丁顿在日全蚀地区内着手准备考察，并决定派出两支考察队：一支去几内亚湾的普林西林西比岛，另一支去巴西的索不拉尔农村。

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