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第六节 提出广义相对论

  在狭义相对论发表以后,爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论,这就是广义相对论。但是这个理论只局限于彼此做相对运动的参考系,而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制,设法解决在一般情况中的相对论问题。

  1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射学和电子学年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时,他忽然想到,几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论,而唯独引力定律不行。

  最令他不满意的是,虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经作了明确的阐述,但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢?

  这时,他想到了老朋友格罗斯曼,那位很有名气的数学家,恐怕只有借助于老友的帮忙,自己的设想才会在现实中被找出来的。

  两个好朋友,把物理和数学两方面的知识结合一起,终于又有了新的发现。

  引力实际上是不存在的,两个物体之间被人们称为引力的作用,其实只是物理作用使物体的周围空间发生了弯曲,从而对另一个运动的物体产生了作用。

  这就是爱因斯坦的广义相对论的总体内容。

  为了能够说服人,爱因斯坦特意举了一个例子,以证明引力的存在只是人们的一种误解。

  假设一只球在桌面上滚动着,如果它的运动前方有一个凹下去的小坑,球就会转向小坑,运动路线就会发生改变。可是,这是我们站在桌子旁观察这一细节。

  倘若人们这时是在桌子的正上方来观察这一现象,也许是无法看到桌子上的小坑的,可是忽然发现球的运动路线发生了改变,人们自然就会想到是什么改变了球的路线。

  1913年夏天,爱因斯坦邀请居里夫人一家人,到安卡丁奴的山谷旅行。

  居里夫人的两个女儿和爱因斯坦的小儿子,在最前面蹦蹦跳跳地走着。稍后几步,爱因斯坦用那充满灵感的声音,把在他脑际里盘旋着的概念,说给居里夫人听。居里夫人是全欧洲能了解他的理论的少数人士之一。

  孩子们有时候也竖起耳朵,听着那些不懂的术语。爱因斯坦边走边专心地思考着,他走过悬崖的边端,攀上矗立的岩壁。

  他忽然站住,握着居里夫人的手,大声地叫:“夫人,你明白了吧!问题是在于当电梯在真空中掉落时,在乘客身上所发生的变化呀。”

  在真空中掉落的电梯?孩子们听了这种奇妙的话,不禁哈哈大笑起来。不过,孩子们自然不知道,解开“广义相对论”的关键就在这里。

  1905年发表的相对论,附有一个条件,那就是:“以互相等速运动的两个世界为条件。”因此,给它取名叫做“特殊相对论”,又称“狭义相对论”。

  那么,在有加速度的世界,那又怎么样呢?爱因斯坦本来就对他自己的相对论感到不满。他很担心,对于有关重力的事情,一点儿也没有着手研究。不附那个条件的“广义相对论”,难道不能成立吗?这个问题不时地令他伤透脑筋。

  有一天,他听到一个从很高的建筑物上摔下来而毫发无损的工人说,当他摔下来的时候并没有感到重力。这句话使他有所领悟。自那以后,他又下了很多工夫。

  从安卡丁奴的山谷旅行后,他向好友数学教授毕克说:“我的相对论已出现一道曙光了。”

  “那么,仍旧是重力的问题吧?”毕克问道。

  “是的,假定这里有很长的电梯,而我就在那里。现在它的钢索忽然断了,我会变成怎么样呢?”

  “当然,你将和电梯一同坠下来,所以,你在电梯上不能站稳。”

  “对。这时候我丢下手帕,在电梯外面的人看来,电梯、人、手帕都一样地向下降落。降落的速度和重量没有关系,所以,都以同样的速度降落。”

  “另一方面,在电梯里的我,是摇摆不定的,手帕也不会落在地上,只停留在我放手的那个地方。因为我不晓得电梯正在降落,会以为这里怎么失去了重力。假如轻轻地推那停留在空间的手帕,它就顺着那个方向,一直运动,直到碰到墙壁才停止。”

  “这真是有趣的想法。你想给它们加上相等的重力,而使它们在这个世界内做着加速度运动,也具有相对性,是吧?”

  “不错,在电梯里的我一点儿也不知道,我到底是在重力场,或者是在毫无重力的大气中。电梯即使是浮在毫无重力作用的所谓‘绝对静止的空间’中,里面的状态还是一样。”

  “有道理。”

  “再假定在电梯的顶端系上钢索,用和重力的加速度同样的力量往上拉。那么,外面的人会怎么说呢?一定是说:‘呀,电梯上升了。’但在里面的人一定说:我在电梯里面,站稳双脚,取出手帕丢下,它就会落在地上。”

  “你讲得很有道理。在电梯里面的人,没有发觉是电梯开动了,满以为是自己的身体产生了重量。”

  “是啊。因为没有一点证据可以认定电梯已经开动。只是就像我们在地球上一样的,身体有重量,丢下手帕也会掉落在地上。换一句话说,由于这个电梯的实验,可以说明牛顿所谓两个质量:惰性的质量与重量的质量是完全相同的理论。”

  “那么,在那个电梯的世界里,光的传导的法则,又是怎么样的呢?按照你的理论,光的速度是不变的吧?”

  是的。假定电梯有一个小洞,光线从那里水平地射进来。当光线照到对面的墙上之前,电梯会稍微升高,所以,光线必将照到对面墙上稍低于小洞高度的地方。

  “我认为光和投掷皮球一样,都会由于重力的作用,而向下弯曲。”

  “你说光会因重力而曲折?”

  “是的。我想,重力也和光、电磁波一样,是从物体发出的‘波’。我们已经能证明:电磁波是眼睛看不到的光,而它的粒子是以和光的粒子相同的速度运动着。重力也是一样,即使再快,要作用到对方,一定要经过一些时间才行的。”

  “这真是惊人的、革命性的理论。听到你的说明,觉得很有道理,不过,假如有方法能证明就好了。”毕克叹口气。

  爱因斯坦接着答道:“证明的方法是有的。只要在天空因日食而转黑时,拍太阳附近的照片来看就行。星光通过太阳旁边时,由于太阳的重力关系,光所经过的路程一定是弯曲的。”

  爱因斯坦在维也纳的物理医学大会上发表这个理论的时候,有赞成的,也有反对的。经过激烈的辩论之后,爱因斯坦作了断然的结论:“希望在明年日食的时候,拍摄星球的照片,来验证我的理论是否正确。根据我的计算,光曲折的角度是0.83弧度。”

  1915年,爱因斯坦还运用自己的广义相对论,成功地解释了水星运动近日点的运动问题,这是大科学家牛顿一直没能解释清楚的一个大问题。

  战争的烟火,没有使爱因斯坦停止他科学研究的脚步,八年的刻苦努力,终于锤炼成了广义相对论。

  广义相对论的出现,使得人们对于引力又有了新的认识。它不仅带来了科学史上伟大的革命,甚至在人类的思想史上也是最伟大的成就——它揭示了时空是物质及运动的存在形式的新观念,彻底地改变了人们的自然世界观。

  广义相对论问世后,爱因斯坦的科学研究的脚步并没有停止。

  当时在柏林大学,人们对于爱因斯坦分为两种态度:

  一些人讥讽和嫉妒他:一个衣冠不整、不足以为人师表的人,只会滔滔不绝地给学生们讲述一些课本上也没见过的东西的人,他凭什么拿着高薪,而且还不断被人捧上天。

  另一些人则是赞誉他的:他是一个一点架子都没有的人,他对待任何人都是一样的,而且他喜欢毫不保留地向人们讲起自己的科学研究。

  根据自己的广义相对论,爱因斯坦又一次想起了童年时代的一个梦想,在茫茫的宇宙里,究竟是一个什么样子呢?

  于是,根据广义相对论,爱因斯坦又开始了对宇宙世界的研究。

  不久,他提出了一个有限无边的静态宇宙模型的观点。

  静态,即宇宙空间的物质分布都是均匀的,无论从哪里看宇宙,都是相同的。

  有限无边,排除了天国之类的东西,却又是圆浑浑的一片,没有边界。

  后来的事实证明,爱因斯坦的这一结论是错误的,可是他的研究态度和方法却是正确的。正是在他的宇宙学提出后,后世的学者们纷纷建立了许多不同的宇宙学体系,从而产生了一门新的学科——代宇宙学。

  因此,时至今日我们不得不承认,人类的宇宙学研究,是从爱因斯坦那里开始起步的。

  1918年,德国投降了,从而也正式标志着第一次世界大战终于结束了。爱因斯坦回首战时的日子,他的心情已经能够平静下来了。

  战时他并没有虚度一分光阴,他为争取和平曾积极奔走。因为没能得以实现,他只好把自己的全部精力又投入到自己的科学研究中去了,结果,他成功了。

  广义相对论的提出,使他更加为世人所瞩目了。

  早在1905年,爱因斯坦发表他的狭义相对论时,他就向那些不相信自己的人宣布:

  “只要有日食,就会发现星体是转动的。”

  于是,许多不相信这一说法的人一直都在寻找机会能够验证一下。

  可是,许多即将到来的机会,都在一瞬间又消失了。

  1912年,一支阿根廷的远征队曾经准备检验光的弯曲度,却由于连遇阴雨天,只好取消了试验计划。

  1914年的夏季,一支德国远征军准备去观察日食,却由于战争的来临而放弃了考察计划。

  1916年,一位美国人观察了日食,却没有得到任何结果。

  1916年的春天,英国剑桥大学的爱丁顿教授得到了一份《广义相对论基础》,作为天文学家,爱丁顿教授十分重视这篇文章,英国皇家天文学会特意进行了刊载。在英国科学界,第一次听说有人向牛顿的万有引力发出挑战,科学家们对此议论纷纷。

  “牛顿的万有引力定律已经诞生了两个多世纪,今天,却有一位德国科学家出来否定它了。”

  “是战争的阴谋吗?”“德国人难道也想从科学界打击我们吗?”科学界的许多人对于爱因斯坦的理论都持有一定的怀疑态度,特别是由于两国正处于交战时期,许多科学家对于爱因斯坦的理论都没有多大的兴趣。

  但是,爱丁顿教授也是一位积极的反战主义者,作为自然科学家,他相信爱因斯坦的理论。

  在他的热情倡导下,皇家天文学会决定组织观测筹备委员会,等待下次日食出现时,派遣远征队前去观测。

  1918年,战争停止了,英国皇家学会正式成立了日食观测远征队,准备派出两支队伍,分别去非洲西部和南美洲的索布拉尔进行观测,这一次,爱丁顿教授决定亲自担任赴非加帕力普林西比岛的远征队的队长,亲自进行验证。

  1919年春天,经过多方面的准备工作后,英国的两支天文远征队起航了。

  许多人断言,爱丁顿是个疯子,竟然轻易去相信一个外国人的话,他一定不会成功的。

  爱丁顿教授对此只是付之一笑,无论爱因斯坦的理论是否成功,观测后至少能够弄明白,牛顿和爱因斯坦两个大科学家,谁的理论能够站得住脚呢?

  无论如何,都应该去尝试一下才好,爱丁顿教授下定了决心。1919年的4月23日,爱丁顿率领的远征队顺利到达了普林西比岛,由于距离日食的观测日期5月29日已经没有几天了。爱丁顿教授立即组织队员们投入了紧张的工作中。

  搭好了帐篷,架上望远镜,调好视距,试拍照片,一切准备工作都忙中有序地完成了。

  人们焦急地盼望着5月29日快点到来,到时候一切就可以真相大白了。

  可是天并不遂人愿,到了这一天,一大早天空就阴云密布,不但没有晴天的样子,不一会儿还下起了倾盆大雨。

  爱丁顿教授此刻在帐篷中再也坐不住了,难道老天也会这么残酷吗?自己顶住了各方面的反对意见,终于争取到了政府对于自己观测的赞同,随后又急忙来到这里,二十几天的紧张准备,就是为了这一天,可是……

  有些队员开始抱怨起来了。

  “放着家中的好日子不过,来这里干什么啊!”

  “别听德国人瞎吹,上帝都不信他的,否则怎么偏偏今天下雨呢!”

  爱丁顿此刻毫无心情去理会人们的那些难听的话,他一直在心中默默地做着打算,无论如何,一定要拍摄一些照片回去,要争取每一分钟有可能出现的瞬间。

  好在下午时,雨总算停了下来,只是阴云还是没有散去,月亮渐渐升起,遮住了太阳,在它的周围形成了一个亮圈,一片朦胧和静寂。

  星星呢?星星在哪里?

  爱丁顿焦急地盼望着。

  无论如何,拍摄计划应该照常进行,爱丁顿教授命令助手们把镜头对准了夜空,一张,两张,在拍了十几张片子后,爱丁顿教授似乎看见在淡淡的云彩后面,露出了几颗亮晶晶的星星。

  “快拍,千万别放过这个机会啊!”爱丁顿教授总算松了一口气,无论如何,也许会有一点收获的。

  拍摄完毕后,爱丁顿教授的心情再也无法安定下来了,他决定连夜冲出底片,看一下是否拍到了自己需要的东西。

  第一张,照片上只是一个白色的球。

  第二张,一片模糊的黑团。

  最后一张出来了,灰色的天幕上,紧挨着太阳,有了几个清晰的黑点。

  太好了,结果终于出来了!

  爱丁顿教授是一个非常谨慎的人,他小心地收起了这张珍贵的照片,没有大肆张扬。此刻,拍摄任务已经结束,他只是希望立刻返回伦敦,会同另一支队伍拍到的照片,那时恐怕才能得出一个肯定的结果。

  幸好,在那个特殊的日子里,远征索布拉尔的另一支远征队遇到了一个晴天,顺利地拍摄了一组清晰的照片。

  爱丁顿教授坐下来,认真地观察了那组照片。太阳的周围分布着十几颗星星,可以十分明显地看出,星星们明显向外偏转了一个角度。

  是的,没有什么让人不相信的,爱因斯坦的理论是完全正确的,爱丁顿教授确信。

  1919年11月6日下午,这个日子是不能让人轻易忘记的。

  就在这一天,英国皇家学会和皇家天文学会在伦敦举行了联合会议,听了远征队归来后的观测报告,英国科学界举足轻重的人物都出席了这次会议,人们怀着激动的心情,期待着一个盼望了很久的结果。

  皇家学会会长、电子的发现者汤姆逊教授站起来向大会致辞,在他的身后,是一张巨幅的牛顿画像,汤姆逊庄严的声音响了起来:

  今天,我要把一个令人振奋的消息在这里告诉大家,爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就。

  相对论对于引力的解释是正确的,我们的实际观测已经证实了这一点,我们一定要把它告诉世人,我想,这也是我们的先驱牛顿教授所期盼的。

  英国科学界这一振奋人心的消息很快就传到了德国,爱因斯坦听说后,心情也十分地激动。

  科学是永远没有国界的,它造福的永远是全世界的每一个角落。

  1919年11月7日开始,爱因斯坦成了欧洲各大报纸上的焦点人物了,尽管当时,没有几个人真正懂得广义相对论的内涵,只是媒体的力量,使他成为一个尽人皆知的热点人物。

  伦敦的《泰晤士报》上高呼:

  牛顿的理论被彻底推翻了,剑桥将不再辉煌。

  柏林的伽林新娜上则写道:

  世界历史上的新伟人,当属阿尔伯特·爱因斯坦。

  总之,爱因斯坦在一夜中成了令人瞩目的伟人,许多国家都发来了热情的邀请信,请他去那里访问演讲,国内的大学,更是各争风骚,爱因斯坦的演讲会,总是会挤得水泄不通。

  其实,在众多的听众中,并非全是学术界中那些渴望知识的人,许多人只是想赶一个时髦,凑凑热闹,同时顺便一睹这位震惊大地的世界伟人的尊容,至于讲些什么,那就不是他们感兴趣的啦。

  令人意外的是,英国的《泰晤士报》对于爱因斯坦的宣传是超乎寻常的,不仅每天的头版都在刊登着有关相对论的内容,副版上还连载登出了标题为《相对论发现者的传奇经历》,文中大肆渲染他早年就已离开德国,加入瑞典国籍的奇特经历。

  许多人为此纷纷预言:新时代将是一个和平的年代。德国科学家的预言,却被英国科学家们在事实面前给验证了,不久以前,两个敌对的国家还在炮火相交呢,可是今天它们的科学家已经站在同一战线上了。难道这不是一个和平的信号吗?

  为了感谢英国天文学家及科学界的真诚,爱因斯坦接受了《泰晤士报》的专访,借此机会表达了他对英国人的感谢之情:

  我十分感谢英国科学界耗费了大量的时间和金钱,验证了我的理论,你们对于科学的求真精神,是我所深深敬佩的,如果没有你们今天的工作,也许我的有生之年是很难看到我的理论得到有力验证的一天。

  因此,我万分地感谢你们,科学永远是没有国界的。

  最后,我还想对新闻界要说的是,你们的报纸上关于我个人生活的某些报道,是一种完全的离奇想象,读者们看完后,就当做一个笑话罢了,今天我被你们称为“瑞士的犹太人”,可是有一天在我成为一个不被欢迎的人时,恐怕我得被称为“一个讨厌的德国人”了!

  在如此巨大的荣誉面前,爱因斯坦是十分高兴的。但是,爱因斯坦又是善良的、冷静的,这一切并没有改变他,他没有力量去改变外面的世界,在巨大的荣誉面前,在众多的阿谀奉承面前,他从未改变自己的一切。

  他仍然是一身极其简朴的打扮,嘴里叼着他的大烟斗,对于以前的朋友,他仍然一如既往笑脸相迎。

  一切虚荣的东西都不能改变他,他仍然是那个喜欢独自思索,显得有点离群索居,却又和蔼善良的爱因斯坦,没有人会改变他,没有什么事会改变他。在科学界,他那优秀的人格魅力影响了一代又一代后继之人,成了被人广为传颂的动人话题。

  §§第三章 晚年的贡献

  
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