相對(duì)論的簡(jiǎn)史 由物理網(wǎng)資料整理
誰是20世紀(jì)最偉大的人?美國(guó)《時(shí)代》周刊通過數(shù)百位當(dāng)世名人的遴選，愛因斯坦、富蘭克林·羅斯福及甘地得票最高。而由英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金撰文介紹的愛因斯坦，成為無可爭(zhēng)議的20世紀(jì)最偉大的人。
史蒂芬·霍金教授，是當(dāng)今世界最著名的物理學(xué)家，黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人，著名的《時(shí)間簡(jiǎn)史》的作者�，F(xiàn)任劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)中心主席，這個(gè)職位是牛頓生前職位。
旅美學(xué)者翟宏?duì)I，曾獲英國(guó)牛津大學(xué)物理研究所特殊頒證的物理學(xué)家，現(xiàn)任休斯頓大學(xué)研究員;張嵐，現(xiàn)為休斯頓大學(xué)材料科學(xué)博士生，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員。他們將史蒂芬·霍金的文章譯成中文，通過本報(bào)介紹給讀者。
文章告訴我們相對(duì)論是怎樣的?它是如何描述世界的?為什么說相對(duì)論改變了整個(gè)世界?請(qǐng)欣賞這篇不可多得的出自當(dāng)今世界最著名的物理學(xué)家之手的關(guān)于相對(duì)論的初級(jí)讀物。——編者
十九世紀(jì)后期，科學(xué)家相信他們對(duì)宇宙的完整描述已經(jīng)接近尾聲。他們想象一種叫“以太”的連續(xù)介質(zhì)充滿了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號(hào)是“以太”中的波。
然而，與空間完全充滿“以太”的思想相悖的結(jié)果不久就出現(xiàn)了：根據(jù)“以太”理論應(yīng)得出，光線傳播速度相對(duì)于“以太”應(yīng)是一個(gè)定值，因此，如果你沿與光線傳播相同的方向行進(jìn)，你所測(cè)量到的光速應(yīng)比你在靜
止時(shí)測(cè)量到的光速低;反之，如果你沿與光線傳播相反的方向行進(jìn)，你所測(cè)量到的光速應(yīng)比你在靜止時(shí)測(cè)量到的光速高。但是，一系列實(shí)驗(yàn)都沒有找到造成光速差別的證據(jù)。
在這些實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，阿爾波特·邁克爾遜和埃迪沃德·莫里1887年在美國(guó)俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所所完成的測(cè)量，是最準(zhǔn)確細(xì)致的。他們對(duì)比兩束成直角的光線的傳播速度，由于圍著自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞太陽的公
轉(zhuǎn)，根據(jù)推理，地球應(yīng)穿行在“以太”中，因此上述成直角的兩束光線應(yīng)因地球的運(yùn)動(dòng)而測(cè)量到不同的速度，莫里發(fā)現(xiàn)，無論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線光速的不同。不論你是否運(yùn)動(dòng)，光線看起來總是以相對(duì)于你同樣的速度傳播。
愛爾蘭物理學(xué)家喬治·費(fèi)茲哥立德和荷蘭物理學(xué)家亨卓克·洛侖茲，最早認(rèn)為相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)方向的尺寸會(huì)收縮，而相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢。而對(duì)“以太”，費(fèi)茲哥立德和洛侖茲當(dāng)時(shí)都
認(rèn)為是一種真實(shí)存在的物質(zhì)。
這時(shí)候，工作在瑞士首都伯爾尼的瑞士專利局的一個(gè)名叫阿爾波特·愛因斯坦的年輕人，插手“以太”說，并一次性永遠(yuǎn)地解決了光傳播速度的問題。
在1905年的文章中，愛因斯坦指出，由于你無法探測(cè)出你是否相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)，因此，關(guān)于“以太”的整個(gè)概念是多余的。相反，愛因斯坦認(rèn)為科學(xué)定律對(duì)所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者都應(yīng)有相同的形式，無論觀察者是如何運(yùn)動(dòng)的，他們都應(yīng)該測(cè)量到同樣的光速。
愛因斯坦的這個(gè)思想，要求人們放棄所有時(shí)鐘測(cè)量到的那個(gè)普適的時(shí)間概念，結(jié)果是，每個(gè)人都有他自己的時(shí)間值：如果兩個(gè)人是相對(duì)靜止的，那么，他們的時(shí)間就是一致的;如果他們間存在相互的運(yùn)動(dòng)，他們觀察到
的時(shí)間就是不同的。
大量的實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的這個(gè)思想是正確的，一個(gè)繞地球旋轉(zhuǎn)的精確的時(shí)鐘，與存放在實(shí)驗(yàn)室中的精確時(shí)鐘確有時(shí)間指示上的差別。如果你想延長(zhǎng)你的生命，你就可以乘飛機(jī)向東飛行，這樣可以疊加上地球旋轉(zhuǎn)的速度，你無論如何可以獲得那零點(diǎn)幾秒的生命延長(zhǎng)，也可以以此彌補(bǔ)因你進(jìn)食航空食品而帶來的損害。
愛因斯坦認(rèn)為的對(duì)所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者自然定律都相同這個(gè)前提，是相對(duì)論的基礎(chǔ)，這樣說的原因是因?yàn)椋@個(gè)前提隱含了只有相對(duì)運(yùn)動(dòng)是重要的。雖然相對(duì)論的完美與簡(jiǎn)潔折服了許許多多科學(xué)家和哲學(xué)家，但是仍然有很多的相反意見。愛因斯坦摒棄了19世紀(jì)自然科學(xué)的兩個(gè)絕對(duì)化觀念：“以太”所隱含的絕對(duì)靜止和所有時(shí)鐘所測(cè)量得到的絕對(duì)或普適時(shí)間。人們不禁要問：相對(duì)論是否隱含了任何事物都是相對(duì)的而不再會(huì)有概念上絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)了?
這種不安從20世紀(jì)20年代一直持續(xù)到30年代。1921年，愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，得到了諾貝爾物理獎(jiǎng)【注1】，但由于相對(duì)論的復(fù)雜及有爭(zhēng)議，諾貝爾獎(jiǎng)的授予只字未提相對(duì)論。
到現(xiàn)在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛因斯坦錯(cuò)了。盡管如此，現(xiàn)在相對(duì)論被科學(xué)界完全接受，相對(duì)論的預(yù)言已經(jīng)被無數(shù)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
相對(duì)論的一個(gè)重要結(jié)果是質(zhì)量與能量的關(guān)系。愛因斯坦的假定光速對(duì)所有的觀察者是相同的，暗示了沒有可以超過光速運(yùn)行的事物，如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應(yīng)能量，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢?被加速物體的質(zhì)量就會(huì)增大，使得很難進(jìn)行再快的加速，要想把一個(gè)粒子加速到光速是不可能的，因?yàn)槟切枰獰o限大的能量。質(zhì)量與能量的等價(jià)關(guān)系被愛因斯坦總結(jié)在他的著名的質(zhì)能方程“E=mc2”中，這或許是能被大街小巷婦孺皆知的唯一一個(gè)物理方程了。
鈾原子核裂變成兩個(gè)小的原子核時(shí)，由于很小一點(diǎn)的質(zhì)量虧損，會(huì)釋放出巨大的能量。這就是質(zhì)能方程眾多結(jié)論中的一個(gè)。1939年，第二次世界大戰(zhàn)正陰云密布，一組意識(shí)到裂變反應(yīng)應(yīng)用的科學(xué)家說服愛因斯坦戰(zhàn)勝自己是和平主義者的顧忌，去給當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫信，勸說美國(guó)開始核研究計(jì)劃，這鑄就了曼哈頓工程和1945年在廣島上空原子彈的爆炸。有人因原子彈而責(zé)備愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能關(guān)系，但是這種責(zé)難就像因有飛機(jī)遇難折戟而責(zé)備牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力一樣。愛因斯坦沒有參與曼哈頓工程的任何過程并驚懼于那巨大的爆炸。
盡管相對(duì)論與電磁理論的有關(guān)定律結(jié)合得非常完美，但它與牛頓的重力定律不相容。牛頓的重力理論表明，如果你改變空間的物質(zhì)分布，整個(gè)宇宙中重力場(chǎng)的改變是同時(shí)發(fā)生的，這不但意味著你可以發(fā)送比光速傳播更快的信號(hào)(這是為相對(duì)論所不容的)，而且需要絕對(duì)或普適的時(shí)間概念，這又是為相對(duì)論所拋棄的。
愛因斯坦從1907年就知道了這個(gè)不相容的困難，那時(shí)他還在波恩的專利局工作，但直到1911年，愛因斯坦在德國(guó)的布拉格工作時(shí)，他才深入思考這個(gè)問題。愛因斯坦意識(shí)到加速與重力場(chǎng)的密切關(guān)系，在密封廂中的人，無法區(qū)分他自己對(duì)地板的壓力是由于他處在地球的重力場(chǎng)中的結(jié)果，還是由于在無引力空間中他被火箭加速所造成的。(這些都發(fā)生在“星際旅行”【注2】的時(shí)代之前，愛因斯坦是想到人處在電梯中而不是宇宙飛船中。但我們知道，如果不想讓電梯碰撞的事情發(fā)生，你不能在電梯中加速或自由墜落許久)如果地球是完全平整的，人們可以說蘋果因重力落在牛頓頭上，與因牛頓與地球表面加速上升而造成了牛頓的頭撞在蘋果上是等價(jià)的。但是，這種加速與重力的等價(jià)在地球是圓形的前提下不再成立，因?yàn)樵诘厍蛳喾匆幻娴娜藢?huì)被反向加速，但兩面觀察者之間的距離卻是不變的。
1912年在轉(zhuǎn)回瑞士蘇黎士時(shí)，愛因斯坦來了靈感，他意識(shí)到如果真實(shí)幾何中引入一些調(diào)整，重力與加速的等價(jià)關(guān)系就可以成立。愛因斯坦想象，如果三維空間加上第四維的時(shí)間所形成的空間-時(shí)間實(shí)體是彎曲的，那結(jié)果是怎樣的呢?他的思想是，質(zhì)量和能量將會(huì)造成時(shí)空的彎曲，這在某些方面或許已經(jīng)被證明。像行星和蘋果，物體將趨向直線運(yùn)動(dòng)，但是，他們的徑跡看起來會(huì)被重力場(chǎng)彎曲，因?yàn)闀r(shí)空被重力場(chǎng)彎曲了。
在他的朋友馬歇爾·格盧斯曼的幫助下，愛因斯坦學(xué)習(xí)彎曲空間及表面的理論，這些抽象的理論，在玻恩哈德·瑞曼將它們發(fā)展起來時(shí)，從未想到與真實(shí)世界會(huì)有聯(lián)系。1913年，在愛因斯坦與格盧斯曼合作發(fā)表的文章中，他們提出了一個(gè)思想：我們所認(rèn)識(shí)的重力，只是時(shí)空是彎曲的事實(shí)的一種表述。但是，由于愛因斯坦的一個(gè)失誤(愛因斯坦是個(gè)真正的人，也會(huì)犯錯(cuò)誤)，他們當(dāng)時(shí)未能找出聯(lián)系時(shí)空彎曲的曲率與蘊(yùn)含于其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程。
在柏林時(shí)，愛因斯坦繼續(xù)就這個(gè)問題進(jìn)行工作，他沒有了家庭的煩擾【注3】，在很大程度上也未被戰(zhàn)爭(zhēng)所影響。1915年11月，愛因斯坦最終發(fā)現(xiàn)了聯(lián)系時(shí)空彎曲與蘊(yùn)含其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程式。1915年夏天，在訪問哥廷根大學(xué)期間，愛因斯坦曾與數(shù)學(xué)家戴維·希爾波特討論過他的這個(gè)思想，希爾波特早于愛因斯坦幾天也找到了同樣的方程式。盡管如此，正如希爾波特所承認(rèn)的，這種新理論的榮譽(yù)應(yīng)屬于愛因斯坦，而正是愛因斯坦將重力與彎曲時(shí)空聯(lián)系起來。這還應(yīng)感謝文明的德國(guó)，因?yàn)椋窃谀抢�，在�?dāng)時(shí)的戰(zhàn)爭(zhēng)期間，這樣的科學(xué)討論及交流仍能夠得以不受影響地進(jìn)行，與20年后(指二戰(zhàn)，編者注)所發(fā)生的事形成多么大的對(duì)比!
關(guān)于彎曲時(shí)空的新理論叫做“廣義相對(duì)論”，以區(qū)別與原初不包含重力的理論，而那個(gè)理論被改稱為“狹義相對(duì)論”。1919年，“廣義相對(duì)論”被以頗為壯觀的形式證明：當(dāng)時(shí)的一只英國(guó)科學(xué)考察隊(duì)遠(yuǎn)征到西非，在日食期間觀察到天空中太陽附近一顆恒星位置的微小移動(dòng)。正如愛因斯坦所預(yù)言的：恒星所發(fā)出的光線，在經(jīng)過太陽附近時(shí)，由于太陽的引力而彎曲了。這是證明時(shí)空彎曲的一個(gè)直接證據(jù)，從公元前300年歐幾里得完成他的《原本》后，這是一個(gè)人類感知他們存在于宇宙的最大的革命性的更新。
愛因斯坦的“廣義相對(duì)論”將“時(shí)空”由被動(dòng)的事件發(fā)生背景轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)宇宙中的主動(dòng)參與者，這導(dǎo)致了居于科學(xué)前沿的一個(gè)巨大困難，在20世紀(jì)結(jié)束之際仍未解決。宇宙充滿了物質(zhì)，物質(zhì)又導(dǎo)致時(shí)空彎曲而使得物體相互聚集。在用“廣義相對(duì)論”解釋靜態(tài)的宇宙時(shí)，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)他的方程式是無解的，為變通他的方程式而適應(yīng)靜態(tài)宇宙，愛因斯坦加入了一個(gè)稱為“宇宙常量”的項(xiàng)，這個(gè)“宇宙常量”將時(shí)空再?gòu)澢�，以使所有的物體分離開，“宇宙”常量引入的排斥效果將平衡物體的相互吸引作用而允許宇宙的長(zhǎng)久平衡。
事實(shí)上，這成了在理論物理歷史上人類喪失的最大機(jī)遇之一。如果愛因斯坦繼續(xù)在這一方向上工作下去而不是變通的引入“宇宙常量”，他可能能夠預(yù)言宇宙是在擴(kuò)張還是在收縮。然而，直到20年代，當(dāng)坐落在威爾遜山上的100英寸的天文望遠(yuǎn)鏡觀察到離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系在以越快的速度遠(yuǎn)離我們時(shí)，宇宙依時(shí)間而變化的可能性才被鄭重地加以考慮。換一句話說，宇宙正在擴(kuò)展，任何兩個(gè)星系之間的距離正在隨著時(shí)間的推移而穩(wěn)定地增加。愛因斯坦后來稱“宇宙常量”的提出是他一生中最嚴(yán)重的錯(cuò)誤。
“廣義相對(duì)論”徹底改變了人們對(duì)宇宙的起源及歸宿的討論方向。靜止的宇宙可能會(huì)永久存在，或者說，在過去的某個(gè)時(shí)間，當(dāng)這一靜止的宇宙產(chǎn)生時(shí)，它就已經(jīng)是現(xiàn)在的形態(tài)了。從另一方面來說，如果現(xiàn)在星系們正在彼此遠(yuǎn)離，它們?cè)谶^去的時(shí)間里應(yīng)該是彼此之間更為接近的。在大約150億年前，它們甚至可能彼此接觸，相互重疊，而且它們的密度可能是無窮大。根據(jù)“廣義相對(duì)論”，宇宙大爆炸標(biāo)志著宇宙的起源，時(shí)間的開始。從這個(gè)意義上說，愛因斯坦不僅僅是過去100年中最偉大的人物，他應(yīng)該獲得人們更長(zhǎng)久的尊重。
在黑洞中，空間與時(shí)間是如此的彎曲，以至于黑洞吸收了所有的光線，沒有一絲光線可以逃逸。“廣義相對(duì)論”因此預(yù)言時(shí)間應(yīng)終止于黑洞中。但是，廣義相對(duì)論方程并不適用于時(shí)間的開始與終結(jié)這兩種極端情形。因而這一理論并不能揭示從大爆炸中究竟產(chǎn)生了什么。一些人認(rèn)為這是上帝萬能的一種象征，上帝可以以他想要的方式來開創(chuàng)宇宙。
但是另一些人(包括我自己)認(rèn)為宇宙的起源應(yīng)該服從于一種任何時(shí)候都成立的普適原理。在朝這一方向的努力中，我們已取得了一些進(jìn)展，但距完全理解宇宙的起源還相差甚遠(yuǎn)。廣義相對(duì)論不能適用于大爆炸的原因在于，它與20世紀(jì)初另一偉大的概念性的突破———量子理論并不相容。量子理論的最初提出是在1900年，當(dāng)時(shí)在柏林工作的麥克斯·普朗發(fā)現(xiàn)，從紅熱物體上發(fā)出的輻射可以解釋為光線是以有特定大小的能量單元發(fā)出的，普朗克把這種能量單元稱為量子。打一個(gè)比方，輻射像是一包包的白糖，在超級(jí)市場(chǎng)里，并不是你想要多少的量都行，你只能買每袋一磅的包裝。1905年，愛因斯坦在他撰寫的一篇論文中，提到普朗克的量子假設(shè)可能可以解光電效應(yīng)，即某些金屬在收到光照時(shí)會(huì)釋放電子的現(xiàn)象。這一效應(yīng)是現(xiàn)代光探測(cè)器和電視照相得以應(yīng)用的基礎(chǔ)，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。
愛因斯坦對(duì)量子構(gòu)想的研究直至20年代，當(dāng)時(shí)哥本哈根的華納·海森堡、劍橋的保爾·狄拉克以及蘇黎士的埃文·薛定諤提出了量子機(jī)制，從而展示了描述現(xiàn)實(shí)的新畫卷。根據(jù)他們的理論，小粒子不再具有確定的位置和速度，相反，小粒子的位置測(cè)得越精確，它的速度測(cè)量就愈不準(zhǔn)確。反之亦然。
對(duì)于這種基本定律中的任意性和不可預(yù)知性，愛因斯坦惶惑不已，他最終未能接受量子機(jī)制。他的著名的“上帝并未在擲骰子”的格言就表達(dá)出了這一感受。雖然如此，大多數(shù)科學(xué)家都接受了全新的量子機(jī)制定律，并對(duì)其適用性加以承認(rèn)，因?yàn)檫@些定律不但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合極好，而且可以解釋許多先前無法解釋的現(xiàn)象。這些定律成了當(dāng)代化學(xué)、分子生物學(xué)以及電子學(xué)得以發(fā)展的基礎(chǔ)，也是在過去半個(gè)世紀(jì)內(nèi)改變整個(gè)世界的科技基石。
1933年，納粹統(tǒng)治了德國(guó)，愛因斯坦離開了這個(gè)國(guó)家，也放棄了他的德國(guó)國(guó)籍。他在新澤西州普林斯頓的尖端科學(xué)研究所度過了他生命最后22年的時(shí)光。納粹發(fā)起了一場(chǎng)反對(duì)“猶太科學(xué)”及猶太科學(xué)家的運(yùn)動(dòng)(猶太科學(xué)家被驅(qū)逐是德國(guó)未能建成原子彈的原因之一)，而愛因斯坦及他的相對(duì)論是這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的主要目標(biāo)。當(dāng)被告知一本名為《反對(duì)愛因斯坦的100位科學(xué)家》的書得以出版時(shí)，愛因斯坦回答，為什么要100位?一位就足以證明我錯(cuò)了，如果我真的錯(cuò)了的話。
二戰(zhàn)后，他敦促盟軍設(shè)立一個(gè)全球機(jī)構(gòu)以控制核武器。1952年，他被剛成立的以色列授予總統(tǒng)職位，但他拒絕了。“政治是暫時(shí)的，”他寫道，“而方程式是永恒的。”廣義相對(duì)論方程是他最好的墓志銘和紀(jì)念碑。它們與宇宙一起永不腐朽。
在過去的100年中，世界經(jīng)歷了前所未有的變化。其原因并不在于政治，也不在于經(jīng)濟(jì)，而在于科學(xué)技術(shù)———直接源于先進(jìn)的基礎(chǔ)科學(xué)研究的科學(xué)技術(shù)。沒有科學(xué)家能比愛因斯坦更代表這種科學(xué)的先進(jìn)性。(本文略有刪節(jié))
【注1】愛因斯坦早在1919年與他的蘇黎士專門學(xué)院同學(xué)、塞爾維亞族妻子米列娃·瑪莉科離婚時(shí)，就已經(jīng)答應(yīng)將諾貝爾獎(jiǎng)給予她。當(dāng)時(shí)愛因斯坦已經(jīng)確信自己將可以得到諾貝爾獎(jiǎng)，只是沒有想到獲獎(jiǎng)是由于他對(duì)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。
【注2】星際旅行，“StarTrek”是全美正在上映的熱門電視劇。
【注3】米列娃·瑪莉科初陪愛因斯坦到柏林，旋即離開，攜他們的兩個(gè)兒子回瑞士，三年后離婚。后愛因斯坦與有一個(gè)女兒的當(dāng)時(shí)離異的表妹愛爾莎結(jié)合，愛爾莎給予了愛因斯坦無微不至的關(guān)懷，伴他度過探索“廣義相對(duì)論”的歲月�，斃蚩茖�(duì)愛因斯坦創(chuàng)立“狹義相對(duì)論”有所貢獻(xiàn)，但她從未提起，離婚后她從事數(shù)學(xué)和物理教學(xué)。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://douzifanli.com/gaozhong/1030753.html
相關(guān)閱讀：如何提高中學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣