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爱因斯坦相对论的创立及其影响

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爱因斯坦相对论的创立及其影响

十九世纪末、二十世纪初,是物理学革命的时代。不断取得的新的科学成就,给经典物理学带来了不可克服的困难,使经典物理学面临着严峻的挑战。在这新的形势面前,绝大多数老一代的物理学家都产生了“危机”感,感到恐慌和不知所措。但是,这一新的形势也鼓舞着新一代物理学家的探索精神,他们大胆地向经典物理学挑战,从而开辟了物理学的新篇章。爱因斯坦所创立的相对论,就是这场物理学革命中的一个最伟大的成就,它对二十世纪的物理学,以至整个科学技术领域都带来了极其广泛而深刻的影响。

处于“危机”状态中的物理学

自从牛顿(1642—1727年)集古典力学之大成,在1687年出版了《自然哲学的数学原理》一书后,牛顿力学便成为力学中最权威的理论,甚而成为整个物理学(现在通常称之为经典物理学或古典物理学)领域的代名词。牛顿力学为任何一种技术设计提供了理论基础,深入地干预了人们的日常生活。人们依照力学的模式建立了热、光、声以及液体和气体的运动的理论,并取得了巨大的成功。牛顿力学在生物科学中也得到了应用,例如身体运动的力学和听觉的力学等。牛顿力学在科学和技术各方面所取得的成就,使其深为人们所崇拜和信赖,被奉为经典。人们甚至认为人类将来的一切科学进步,一定会在力学指导之下进行。直至十九世纪的前半叶,人们都以为,在这个世界上,物理学大厦的主要框架已经建成,剩下的只是细节方面的加工,即把公式推导得更完备些,把各种物理学常数测量得更精确些,使它更趋于尽善尽美罢了。没有人期望在这方面会得到超出牛顿力学的成果。几乎所有的科学家都认为,整个宇宙,包括生活在这个宇宙中的人类,都是随着牛顿的法则运动着。

正当人们沉缅于按牛顿力学体系的框架,进行装饰物理学大厦的工作之时,晴朗的物理学太空却出现了乌云。十九世纪以后,光学和电磁学取得了重大的进展。人们首先发现了光的波动性质①。随着电磁学的发展,人们又发现光也是一种电磁波。这就首先遇到了一个问题,即电磁波是如何传播的呢?在牛顿力学中,力学的波是靠连续的介质传播的,例如声波,在空气中是靠空气传播的,在真空中是听不到任何声音的。但是光和电磁波却与声波不同,它们能够穿过真空,在真空中仍然能够传播。为了解决这个问题,物理学家曾试着作了如下的论证:若要传播光和电磁波,就非要有某种物质的媒介存在不可。于是假设了一种称为“以太”(Ather)的介质,认为以太是没有重量的弹性物质,它到处弥漫于宇宙之中。

但是,科学是严肃的,不允许有丝毫的含混。只有可以验证的理论方才是科学的理论,否则就没有任何科学的意味。既然以太是传播光和电磁波的介质,就应该是一种真实存在的物质,也就可以通过科学的手段证实其确实存在。因此,不少科学家致力于寻找以太的工作。在牛顿的力学体系中,有如下的基本原理和法则,即伽利略(1564—1642年)的相对性原理和速度的合成法则。所谓伽利略相对性原理,是关于物理定律在不同的惯性参考系中完全一致的原理。例如在平直的路上以固定速度行驶的列车上,所作的运动结果与在地面上完全一样。你若是在车上发出一个音响,由于车厢里空气是与列车一起运动的,所以声音在车上向各个方向传播的速度一样,与地面上的声音传播规律相同。所谓速度的合成法则,是指在不同的参考系中,由一个参考系观测另一个参考系上的运动,其速度与参考系的运动速度有关。如在地上观测列车声音传播,在与列车前进相同的方向上,声音的传播较快,其速度是音速加上车速;而在与列车前进相反的方向上,声音的传播速度较慢,其速度是音速减去车速。如果以太确定存在,那么它也得遵循伽利略相对性原理和速度合成法则。反之,人们也可以根据伽利略相对性原理和速度合成法则,观测到以太的存在。科学家们正是根据这一基本思想寻找以太的。

根据速度的合成法则,如果以太存在,在地上观察运动参考系上的光源发出的光的速度,就会与参考系的运动有关。如上面所说的列车上发出的光,在地面上就会观测到在列车前进方向上光的速度是光速加上车速,在与列车前进相反的方向上光的速度是光速减去车速。对于这一速度的差异,物理学家是很容易利用实验进行测定的。但是,从1839年开始,直至二十世纪三十年代,物理学家进行了多次的实验,其中最著名的是美国的迈克尔逊(1852—1931年)和莫雷(1836—1923年)于1887年共同进行的实验。结果所观测到的都是不管参考系是作直线运动还是转动,从相对静止的参考系上观测到的结果,与运动着的参考系观测到的结果一样。光速C都是每秒钟30万公里,而且不管是沿着参考系的运动方向还是逆着参考系的运动方向,结果都没有差别。这个结果表明以太的存在值得怀疑,而且牛顿力学中的重要法则——速度合成法则,在这里也不适用了。在这里,牛顿力学陷入了困境。但是,大部分的物理学家还是固守以太的概念。为了解脱上述的困境,他们提出了在宇宙中所有的参考系中,有着一个和其他任何参考系相异的参考系,即对于以太静止的参考系,也就是说是以光的速度C的值所决定的基准而存在的唯一的系。但是,如果有这样的系存在的话,则牛顿力学中的重要原理——伽利略相对性原理就不正确了,从而导致整个牛顿力学体系陷入更大的困境。总之,寻找以太的失败形成了笼罩在物理学太空中的乌云,引起了物理学界的混乱。

事情并非到此为止。随着科学的发展,十九世纪末叶新的东西一个又一个地被发现着。1895年,德国的卢梅尔(1860—1925年)和维恩(1864—1928年)进行了黑体辐射①实验,发现黑体加热到一定的温度时射出一种在特殊波长上最大的能量辐射,这种最大能量的波长随着温度的增加而下降。这一现象不能用光的波动说进行说明。同年,德国的伦琴(1845—1923年)发现了X射线。1896年,法国的贝克勒尔(1825—1908年)发现了铀的放射性。1897年,英国的汤姆生(又称开尔芬勋爵,1824—1907年)发现了电子,从此,在牛顿力学中物质、能量连续的观念又一再陷入了困境,成为笼罩在物理学太空中的又一朵乌云。

面临着牛顿力学的这一系列困境,大多数的物理学家都感到了压抑和窒息。有些物理学家甚至感到恐慌,发出了物理学遭遇危机的哀叹。1900年,汤姆生称这“两朵乌云”掩蔽了“把光和热断定为运动形式的动力学理论的美丽和明晰。”德国著名物理学家、最先提出量子概念的普朗克①(1858—1947年)说:“我们现在生活在一个不平常的世界里,不论我们观察哪一方面,在精神文明和物质文明任何领域内,我们都觉得是处在一个极严重的危机中,这种严重的危机,在我们全部私人生活和社会生活上,印上了许多纷扰和动摇的征候。很久以前,在宗教和艺术领域内,现在则在科学园地内难得找到一个不会被人怀疑的基本原理,同时也难得找到一种无稽之谈是人所不相信的。”在电磁学中提出著名的空间和时间的坐标变换公式②的荷兰物理学家洛伦兹(1853—1928年)也说:“在今天,人们提出与昨天所说的话完全相反的主张;在这样的时期,已经没有真理的标准,也不知道科学是什么了。我很悔恨我没有在这些矛盾没出现的五年前就死去。”

物理学的出路在那里呢?如何才能摆脱物理学所遭遇到的困境、混乱或危机呢?

历史的经验证明,一种学说或理论,即使是在历史上起过重大作用的科学学说或理论,当其被人们奉为经典,视为科玉律之后,往往会走向其反面,成为束缚人们思想的桎梏、妨碍科学发展的阻力,也就是说,成为一种保守的传统势力。这种传统势力,正如恩格斯所指出,“是一种巨大的阻力,是历史的惰性力”③。在近代科学文明的发展中作出了重要贡献的牛顿力学理论体系,其命运也正是这样。

十九世纪末、二十世纪初,在新的科学发现面前,大多数物理学家一方面感到混乱、恐慌和危机,一方面却仍固守牛顿力学体系,力图调和牛顿力学与新的科学发现的矛盾,弥合牛顿力学在新的科学发现冲击下出现的裂缝。例如,普朗克在1900年提出了能量子概念,成为量子力学的开创者,但他本人却对自己的理论发现感到怀疑,仍然想从牛顿力学中寻找出路;洛伦兹在得出著名的洛伦兹变换的同时,已经提出了运动物体在运动方向上缩短的假说,走到了相对论的边缘,但却又止步不前,煞费苦心地试图用牛顿力学体系来对此进行解释。另外也有少数物理学家走向了科学的反面,走上了否定一切的道路。如法国物理学家昂·彭加勒(1854—1912年)在《科学的价值》一书中宣称能量守恒原理被推翻了,“物质消失了”,而且“所有其他的原理也遭到了危险”,是“原理的普遍毁灭”,甚至提出了存在着没有物质的运动,说“万物都在运动——但是在概念中运动”。尽管物理学面临着严峻的形势,但是科学是不会倒退,更不会被取消的,科学毕竟是科学,它总是在不断地前进着。不断地创新和进行新陈代谢,正是科学的生命力之所在。新的科学发现和物理学面临着的严峻形势,造就了一代新的物理学家,他们迎来并推动着二十世纪的物理学革命。其中,爱因斯坦就是一个最杰出的代表。

二十世纪物理学革命的结晶

二十世纪初叶,爱因斯坦(1879—1955年)这个出生在德国乌耳姆的犹太人,当时还是一个受到社会冷落和嘲弄的年青人。1900年8月,他在瑞士苏黎世工业大学毕业后,同班的3个同学都留校得到了教职,唯独他被拒于校门之外。经历了两年的失业生涯之后,他受聘到伯尔尼瑞士联邦专利局,担任三级技术员。生活道路的波折并没有使爱因斯坦消沉,他热爱物理学和哲学,在出色地完成专利局的本职工作之余,他埋头进行物理学的研究他有着独立思想的个性,对自然科学和哲学的不断学习、吸取、研究,使他养成了一种怀疑所有权威的性格。他把这种怀疑态度与“相信世界在本质上是有秩序的和可认识的这一信念”结合在一起,即把怀疑论与自发唯物论有机地结合起来,从而使他认识到,科学能够破除迷信,能够解放思想,“科学不是而且永远不会是一本写完了的书,每一个重大的进展都带来了新问题,每一次发展总要揭露出新的更深的困难”,“科学迫使我们创造新的观念和新的理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙。所有重要的科学观念都是在跟我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的”。因此,在这场物理学变革的风浪中,爱因斯坦能够与众不同。他不墨守陈规,敢于冲破传统的成见,在前人成果的基础上,大胆创新,终于登上科学的新高峰,成为物理学革命时代的科学巨匠,开创了物理学发展的新纪元。

早在1895年,16岁的爱因斯坦在乘坐马车去瑞士阿尔高邦的阿劳上中学途中,忽然产生了一个奇怪的念头:如果有人以光速和光线一齐前进,是不是将观察到光线乃是静止在空间中振动着的电磁波呢?这个问题一直折磨着年轻的爱因斯坦。“理论不应当同经验事实相矛盾”,这是爱因斯坦从事理论物理学研究的一个基本思想。实验事实和根据电磁理论的推究,都证明这是不可能的。但是根据伽利略的相对性原理,这个结果却是肯定的。好象我们坐在一辆以固定速度行驶在一条平直的路上的汽车中,观察另一辆以相同的速度在同一方向上行驶的汽车,将会觉得另一辆汽车静止不动似的。那么问题出在什么地方呢?是实验事实不对呢,还是牛顿力学体系有毛病?爱因斯坦反复思索着,极力寻求问题的解答。

经过10年的努力,爱因斯坦终于在1905年6月完成了论文《论动体的电动力学》,这是关于相对论的第一篇论文。他首先抓住了迈克尔逊—莫雷关于验证以太存在的实验失败这一事实,明确否定以太的存在,抛弃以太假说,指出以太的“引用将被证明是多余的”。他从迈克尔逊—莫雷实验中得出地球运动不影响光的速度这一结论出发,进而推想,光速既然不随地球运动而变化,那么也必然不随其他任何参考系,如月亮、太阳以及一切星球的运动而变化。由此,他提出了两个基本原理:

一、物理定律同惯性系的选取无关,即所谓狭义相对性原理。用爱因斯坦的话来说,就是“物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速运动着的坐标中的哪一个并无关系”。

二、光速不变原理,即“任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V①运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的”。他利用洛伦兹变换和麦克斯韦方程②,说明空间、时间和物体运动之间不是彼此无关的,而是不可分离地紧密联系着的。空间和时间随着物体运动而变化,运动物体在运动方向上长度“缩短”,时间变“慢”,亦即不存在绝对的空间和绝对的时间。

作为相对论理论体系的第一阶段工程的狭义相对论就这样诞生了。在狭义相对论中,牛顿力学的运动定律,在物体的运动速度远小于光速的情况下仍然成立。也可以说,牛顿力学的运动定律被包括在狭义相对论之中,且只是作为狭义相对论的特定情况下才成立。

1905年9月,也就是在《论动体的电动力学》完成之后3个月,爱因斯坦又完成了论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》在文中,他根据狭义相对论推导出了一个重要的结论:物体的质量与运动密切相关,运动速度增加,质量也随着增加。他并提出了著名的质能关系式: E= mc2,即物体的能量相当于质量与光速的平方的乘积。用爱因斯坦的话说,也就是“物体的质量是它所含能量的量度;如果能量改变了L,那么质量也就相应地改变L/9·1020。此处能量是用尔格(Erg)来计量,质量是用克(gramme)来计量”。由于能量的数值为质量数值的9×1020倍,因此质量有稍许变化,就会引起巨大的能量变化。这就揭示出了原子内部所蕴藏的巨大能量的秘密。

1905年前后的爱因斯坦

狭义相对论还不是一个完备的理论体系,它仅适用于匀速直线运动的情况,还不能解释加速运动和万有引力的问题。遵循着“物理学的定律必须具有这样的性质,它们对于以无论哪种方式运动着的参考系都是成立的”这一认识,从1907年起,爱因斯坦开始进行推广相对论应用范围的工作。早在爱因斯坦考虑如果人以光速和光线一起前进,是否将会看到静止不动的电磁波的问题的同时,另外一个问题也时时在他的脑海中出现。这个问题就是,如果有人呆在一架自由下落的升降机中,将会发生什么情况呢?他设想有一个其高无比的建筑物,其中有一架密闭的电梯在自由降落,在里面的人如果拿一些东西撒手放开,他们将会发现,这些东西都会在手放开的那个位置上呈静止状态,好象是悬在空中,不升也不降。因为这时电梯、人、东西都依照重力加速度定律①下降着,在电梯里就好象没有地球引力存在一样。假如人把这些东西推一下,这些东西就会朝被推的方向作匀速直线运动,直到这些东西碰到电梯壁时才会停止。这样,在电梯里的人就可以得到如下的法则,即在我的参考系(以重力加速度作自由降落的电梯里)中,一切物体被其他的物体碰撞到,都会同样地作匀速直线运动,直到撞及电梯壁才停止。倘若不考虑电梯壁的话,这一法则与牛顿的惯性定律②相似。如果电梯不是自由降落,而是以固定的加速度上升,那么电梯中的人将会觉得他们的脚是紧紧地踏在地板上,东西如果撒手,就会下落,与在地面上房间里发生的情况一样。如果电梯不升也不降,而是旋转着的,在内里的人除了感到一种把他们拉向电梯一边的力外,分不清哪是天,哪是地,仍然以为是受着地球引力的作用。从这些假想的事件中,爱因斯坦受到了启示,认识到要区分是由惯性力或者是引力所产生的运动是不可能的。1907年,他在论文《关于相对性原理和由此得出的结论》中,抓住惯性质量与引力质量的等效性这个事实,提出了“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价”的假设,亦即假设引力场运动和加速度运动在物理学上完全等价,迈出了推广相对论的步伐。

随着研究的深入,爱因斯坦关于广义相对论的思想不断地丰富和充实着。但是,摆在他面前的道路并不是平坦无阻的,特别是遇到了数学方面的困难。他发现,以往在物理学中所应用的数学工具欧几里得几何学已经不再适用了。“在物理学中,通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的”,既然原有的数学工具不能适用,那就必须寻找新的数学工具。为此,爱因斯坦耗费了大量的心血。1912年,他终于在他的老同学、数学教授格罗新曼的帮助下,找到了适宜的数学工具四维空间的非欧几何学和张量计算①。1913年,他们合作写了论文《广义相对论和引力理论纲要》。这篇重要论文分两部分,物理学部分是爱因斯坦执笔的,数学部分是格罗斯曼执笔的。这一工作为广义相对论的建立扫清了道路。

经过七、八年的辛勤劳动,走过了不少弯路,克服了大量困难,爱因斯坦终于在1915年10月完成了创建广义相对论的工作,并于1916年写了总结性的论文《广义相对论的基础》。 爱因斯坦称,这是“对今天一般称之为‘相对论’的理论所作的可能想象得到的最广泛的推广”。广义相对论适用于匀加速运动的体系,当物体的运动速度远小于光速时,由广义相对论的基本公式,可以推导出牛顿的万有引力公式,从而成功地把牛顿的万有引力定律①包括在相对论的理论体系之中。正如爱因斯坦所说:“相对论有点象一座两层的建筑,这两层就是狭义相对论和广义相对论。为广义相对论所依据的狭义相对论,适用于除了引力之外的一切物理现象;广义相对论则提供了引力定律,以及它同自然界别种力的关系”。

广义相对论所预言的三个效应,很快都得到了有力的证实。

一、行星的椭圆轨道绕太阳旋转。1781年发现太阳系的新行星天王星之后,人们发现它绕太阳公转的轨道有些反常,天文学家推断这是因为有一颗尚未发现的行星所施加的引力造成的结果,于是根据牛顿运动定律,计算出了这个假设的行星的位置,并在该位置上发现了太阳系的另一新行星海王星。同样,天文学家观测发现,离太阳最近的水星的运动也有点特别,它每绕太阳公转一周,其轨道离太阳最近的那一点的位置就有些改变,称为水星近日点进动,进动值为每百年43秒②。 于是天文学家象预言海王星一样,预言还有一颗尚未发现的行星存在,造成了近日点的进动。但是,人们长期为发现新行星所作的努力都失败了,实际上并不存在这样一颗行星。对于水星近日点进动问题,牛顿力学无法进行解释,它暴露了牛顿力学的缺陷。爱因斯坦根据广义相对论,提出了行星的椭圆轨道绕太阳旋转的理论,并指出由于其他行星离太阳较远,这种轨道的旋转运动很小, 可以忽略不计,而水星离太阳最近,所受的太阳引力场作用最强,因此水星轨道绕太阳的旋转较为显著,从而成功地解释了水星的近日点进动问题,并且得出了与实际观测相符合的每百年43秒进动值。对此,爱因斯坦非常兴奋,在他给荷兰莱顿大学教授埃伦菲斯特(1880—1933年)的信中写道: “方程给出了水星近日点进动的正确数字,你可以想象我有多么高兴!有好几天,我高兴得不知怎样才好”。

二、引力场所引起的光线的弯曲。在一般情况下,光线是沿直线传播的,但爱因斯坦根据广义相对论指出,当光线经过大质量星体时,由于强大引力场的作用,光线将发生偏转。他计算出,从远处的恒星所发出来的光线,如果掠过太阳表面,光全偏转的角度是1.7秒①。由于白天阳光强烈看不到星星,晚上又只能看到星星,看不到太阳,所以要观测到这一效应,只有在日全蚀的情况下才能进行。1919年5月27日,英国天文学家爱丁顿(1882—1944年)率队在西非洲海岸附近的普林西北岛上对日全蚀进行考察,证实了这一相对论效应。

三、从恒星发射到地球上的光线,其谱线向光谱红端移动。高温下,每一种气态的化学元素都会辐射出几种一定频率的光线,即光谱线。分析恒星的化学成分,就是利用对恒星所发出的光进行光谱分析的方法。有什么光谱线,就有什么元素存在。根据广义相对论,引力场会使时钟变慢,因此在原子中电子的振荡频率变低,辐射出的光的频率也随着变低。所以,引力场很强大的恒星发出的光谱线,会移向低频端,也就是向红端移动①。 这一广义相对论效应,1924年通过对于天狼星伴星的观察得到证实,1959年观测太阳光谱,1971年观测密度很大的白矮星的光谱,进一步得到证实。

事实证明了广义相对论是一个严密的理论体系,正如爱因斯坦自己所说的:“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性。从它推出的许多结论中,只要有一个被证明是错误的,它就必须被抛弃;要对它进行修改而不摧毁其整个结构,那似乎是不可能的。”

相对论推动着二十世纪科学技术的发展

相对论的命运与它的创立者在大学毕业时被拒于校门之外的遭遇相似,它必须在经历一番坎坷之后,才会被科学界所承认。在1905年狭义相对论提出后,有4年之久科学界无所反响, 到1909年才开始引起科学界的重视。一些有远见的科学家非常赞赏爱因斯坦的工作。居里夫人(1867—1934年)说:“我非常钦佩爱因斯坦先生在现代物理学有关问题上所发表的著作”,并称“这些著作是最高级的”。彭加勒(1854—1912年)说:“爱因斯坦先生是我曾经认识的最富创见的思想家之一……我们应当特别赞赏他的是他善于适应新的概念并知道如何从这些概念引起各种结论的灵巧。他不受古典原理的束缚,而且每当物理学中出现了问题,他很快就想象出它的各种可能性。”普朗克说:“要对爱因斯坦的理论作出中肯评价的话,那么可以把他比作二十世纪的哥白尼,这也正是我所期望的评价。”

但是,由于相对论对牛顿力学的理论体系进行了根本性的变革,同时广义相对论更是远远地超越于人们常规的认识,因此它没有很快被整个学术界所接受。当时的大多数物理学家都感到难于理解相对论,也有不少人表示怀疑和反对。1922年初,爱因斯坦在法国讲授相对论时,巴黎所有的物理学家、数学家和各系的教授以及全体科学院院士都出席了。会上的情况是,“当时为了企图拯救曾认为是基本的,但又为革命思想所刚刚推翻了的那些概念,学术界非常激动,人们争论得很厉害。”爱因斯坦1922年获得1921年度的诺贝尔奖金,其得奖成果是他在光学方面提出光量子理论①的贡献,而不是创立相对论的功绩。就连对相对论的建立起过重要作用的洛伦兹直至1928年还表示对光学现象没有以太作载体不完全理解。

但是,二十世纪毕竟是一个物理学革命的时代,人们已经比较习惯于接受新的思想和新的学说,因此,随着广义相对论三个效应的被证实,二十年代之后,除了少数顽固者和反犹太主义政治狂人外,相对论便风行全球。成为科学领域中的一个基本理论了。正如量子力学的创立者之一,德国著名的物理学家海森伯②(1901—1976年)所说:“在科学史上,以往也许从来没有过一个先驱者象阿耳伯特·爱因斯坦和他的相对论那样,在他在世时为那多么的人所知道,而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。”

相对论的创立在科学发展的道路上矗立了一座新的里程碑,它既是物理学革命的结晶,又推动着物理学革命向前发展,对整个二十世纪的物理学革命进程给予了巨大而深刻的影响。

首先,相对论带来的是关于时空观的根本性变革。在牛顿的力学体系中,乃至在牛顿以前人们的认识中,都存在着绝对空间、绝对时间的概念,因而物体的运动也是在绝对时空中的绝对运动。时间、空间彼此孤立,互不相关。空间可以用欧几里得几何学来描述,物体的运动只是在虚无的、绝对的空间中作着位置移动,时间则只不过是独立于空间的不断消逝着的长流。这一世界图象,是与宇宙中有一个享有特权的神圣的观察者的思想联系在一起的。这一种神圣的观察者,只要知道宇宙间任何物体在任何时刻的位置和速度,就能够知道过去发生过的一切,并预言未来将要发生什么。由之,也就为上帝(或神)留下了位置,以至牛顿最终也得承认上帝的存在,说上帝“永远存在, 到处存在, 而且由于永远和到处存在,形成了时间与空间。(他)没有身体,他是爱,是大智大慧,他无往而不在;他在无限的空间内,就如在他眼前一样,亲切地看见事物本身,彻底地感受到它们,并且由于它们直接呈现在他面前,整个儿理解它们。”这一世界图象并且造成了十八、九世纪的机械论。 如同恩格斯所指出的: “这个时代的特征是一个特殊的总观点的形成,这个总观点的中心是自然界绝对不变这样一个见解。不管自然界本身是怎样产生的,只要它一旦存在,那末在它存在的时候它始终就是这样。”①

在相对论理论体系中,这一世界图象被摧毁了。根据相对论中的光速不变原理,不论在什么参考系中,是运动着的参考系中或是相对静止的参考系中,对于观察者来说,光速都是一样的每秒钟30万公里,亦即在运动着的参考系中,时间变“慢”了,在运动方向上的长度“缩短”了。从而绝对的时间、空间以及运动都失了意义,剩下的只是相对的时间、空间以及运动。而且,在相对论中,三维的欧几里得几何空间被四维的时空非欧几何所代替了,时间、空间以及物体运动都被紧密的联系在一起,无法分隔开来了。正如爱因斯坦在解释相对论时所说的,“要点是这样的:早先人们认为,假如由于某种奇迹,一切有形体的事物突然一下子消失了,那么空间和时间仍会留下来。照相对论来说,空间和时间是和一切事物一起消失的。”这一新的时空和运动观不仅成为科学中的一种基本理论,而且上帝失去了立足之地,机械论的根基也被铲除了,它从科学上验证了“一切存在的基本形式是空间和时间,时间以外的存在和空间以外的存在,同样是非常荒诞的事情”①,“世界上除了运动着的物质,什么也没有, 而运动着的物质只有在空间和时间之内才能运动。人类的时空观念是相对的”②等辩证唯物主义观点的正确。

相对论作为一种科学理论,它在自然科学的领域里显示出了巨大的生命力。在二十世纪取得重大进展或新兴的许多物理学、天文学的分支中,大多都是以相对论作为基础理论而发展或建立起来的。

在微观领域方面,狭义相对论连同质能关系式已成为基本理论和公式,得到了广泛的应用。它使当时无法解释的放射性元素,如镭为什么能够不断释放出强大能量的现象,得到了解释,即由于质量转化为能量的缘故。它同样成功地解释了太阳的辐射问题。在狭义相对论之前,关于太阳能的来源问题一直是物理学中的一个难题。不少科学家曾经提出了种种假设,试图进行解释。如迈尔(德国物理学家,1814—1878年)和汤姆生认为是由于陨星落进了太阳,因而它们的机械能转变为热。后来赫尔姆霍茨(德国物理学家,1821—1894年)和汤姆生又提出了太阳收缩的理论,认为伴随着收缩有势能转变成热能。根据这些解释,得出的太阳和地球年龄不会超过6千万年或1亿年,因而受到了地质学界的反对,因为这样短的时间不可能解释地质构造和地球上生命的进化。狭义相对论则由质量转化为能量的理论出发,提出了太阳的辐射源来自于太阳自身的质量,使这个难题得到了合理的解决。随后,狭义相对论成为新发展起来的原子核物理学、粒子物理学和高能物理学的理论基础。在量子力学①中,相对论也发挥着应有的作用。除了质能关系式是量子力学的基本公式外,1928年英国物理学家狄拉克(1902—)把广义相对论引进了量子力学,从中还预言了有一种质量等于电子,但电荷相反的粒子的存在②。后来,随着量子力学的发展,逐步形成了一门新的科学分支相对论量子力学。

同时,狭义相对论及其质能关系式还是高能加速器和原子能应用等现代技术领域的计算基础,为人类利用核能开辟了无限广阔的前程。例如,在核能的应用方面,原子核物理学告诉我们,原子核是由核子(质子和中子)组成,一个原子核的质量永远小于组成它的核子的质量和。这些质量的损失以能量的形式被释放出来,称为原子核的结合能。按质能关系式,可以计算出质量每减少0.001克,就能够释放出22×109卡的能量,相当于燃烧2.7吨煤炭或爆炸22公斤梯恩梯(即三硝基甲苯)炸药所释放的能量。随着原子核物理学的发展,人们发现一些较重的原子核分裂成两个较轻的原子核后,由于核子在较轻的原子核中结合得更加紧密,便有大量的能量释放出来(这一过程称为核裂变)。后来又发现一些较轻的原子核的结合能特别大,当两个更轻的原子核聚合成这些元素的原子核时,释放出的能量比重原子核分裂时更大(这一过程称核聚变)。不管是核裂变或核聚变,其释放出来的能量都可由质能关系式计算出,这就为核能的利用提供了基础。军事上根据核裂变和核聚变制造的原子弹和氢弹,在四、五十年代就已出现。现在人类已开始了原子能的和平利用,建立了不少原子能发电站。氢的核聚变能量的应用可能性,现在也正在积极地探索中,一旦成为现实,那么单是海水中所含的氢,就可以向人类提供几乎是取之不竭,用之不尽的能源。

与狭义相对论在微观领域的应用取得的重大成功相呼应,广义相对论在巨大的宏观领域——宇宙范围里也大展神威。它引起了天文学的革命,开拓了现代宇宙学的新道路。广义相对论创立不久。爱因斯坦就以巨大努力探索广义相对论的应用。1917年,他发表了论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》,被认为是现代宇宙学的开创性文献,为现代宇宙学的建立奠定了基础。爱因斯坦放弃了无限空间的概念,建立了静态有限无边的宇宙模型①,由此导致了宇宙膨胀学说和大爆炸学说②的建立。六十年代以来,由于天文观测手段的进步,人们发现了一系列新的高密度质量和强大引力场的星体,在这些星的体系中,相对论效应起着明显的作用。因此,人们应用广义相对论的概念和方法,来研究这些天体的物理性质、结构和演化,形成了天体物理学的一门新分科——相对论天体物理学。

1916—1918年,爱因斯坦根据广义相对论预言并论证了引力波①的存在,验证引力波便成为科学界的一个重大研究课题。但由于引力波的效应极其微弱,验证非常困难,曾耗费了不少人的大量心血,而长期没有被发现,因而对这个问题的关注一度受得淡漠。近年来,随着射电天文学迅速发展,寻找引力波的呼声重新高涨,形成了一股热潮,不少科学家都为争当第一个引力波的发现者艰辛地工作着。这一工作,目前已取得了初步的成果。

在相对论基础上,创立包括引力场和电磁场的统一场论②,是爱因斯坦科学生涯中所致力实现的又一项巨大工程,为此几乎花费他后半生的全部精力。由于他在三十多年艰辛的探索中,始终没有得到有物理意义的结果,因此对这一工作,许多年来在科学界一直存在着不同的看法。近年来由于微观粒子领域的研究不断取得新的突破,统一场论的思想重新受到了科学家们的重视,不少人已经投身于创建统一场论的工作,并得到了一定的进展。

此外,相对论也促进和推动着数学的发展。广义相对论的理论描述,是数学与自然科学之间相互有效结合的光辉范例。它赋予了长期被打入冷宫的非欧几何学以物理学的内涵,使非欧几何<学获得了新的生命力,并向前发展。同时,相对论所揭示出的新的物理学问题,迫使某些数学方法必须加以完善。因此,它促进了数学的发展,反过来又推动着物理学研究的进一步发展。

总之,历史已经证明,相对论与量子力学一起已经成为二十世纪的物理学的两大柱石。正如量子力学的创立者之一、德国著名的物理学家玻恩在1955年所说:“对于广义相对论的提出,我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大成果,它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”相对论已经并且还将在哲学和科学技术领域显示出巨大的生命力,人们完全有理由相信和期待着它新的成功。

注释

① 光的本性问题,是科学界长期争论的一个问题。十七世纪时,牛顿倡导了光的微粒说,认为光是由发光体所发出的弹性微粒所组成,而惠更斯(英国物理学家,1629—1695年)则提出光的波动说,认为光是一种机械波,由发光体引起,和声波一样依靠介质来传播。十八世纪时,光的微粒说占主导地位,波动说几乎被遗弃。十九世纪后,光的波动说被物理学界所公认,微粒说则差不多被否定。直至二十世纪初,爱因斯坦提出了光的量子理论,光的波粒两重性才被人们认识。

① 能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的物体称为黑体,黑体发出的电磁辐射称为黑体辐射,其辐射能力比其他物体强,对黑体辐射的研究导致了量子论的诞生。

① 为了克服黑体辐射给经典物理学带来的困难,普朗克于1900年提出了量子假设,即假设物质辐射(或吸收)的能量只能是某一最小能量单位(能量子)的整数倍,为后来量子论的发展奠定了基础。

② 即高速运动的参考系与静止参考系之间关于空间和时间坐标的变换公式,因是洛伦兹所提出,故又称洛伦兹变换,是后来相对论中的基本公式之一。

③ 《马克思恩格斯选集》第3卷,人民出版社1972年版,第402页。

① 光速现一般都以“C”表示。

② 英国科学家麦克斯韦(1831—1879年)所建立的电磁场的基本方程。

① 物体由于重力作用而获得的加速度称重力加速度,在地面附近任何物体的重力加速度在同一地点都相同。这个定律是伽利略通过比萨斜塔进行的实验所得到的。

② 惯性定律又称运动的第一定律,即任何物体在不受外力的作用时,都保持原有的运动状态,原来静止的永远静止,原来运动的永远作匀速直线运动。这是牛顿三大运动定律之一。

① 公元前三世纪希腊数学家欧几里得(约公元前330—前275年)所建立的几何学体系,后人称为欧氏几何学。欧氏几何学的第五公设:“过平面上直线外一点,只能在这平面上作一直线与给定的直线平行”,这个公设无法证明,很早就引起人们的怀疑。十九世纪后,有人通过变换第五公设,提出了“过平面上直线外一点,可以在这平面上作无数条直线不与给定的直线相交”,并得到了证明,形成了一个新的几何学体系,被称为非欧几何学,意即不同于欧氏几何学。欧氏几何学的空间坐标是三维的, 非欧几何学的空间坐标是四维的。

张量计算为近现代物理学中的一种重要数学计算方法。

① 万有引力定律是牛顿力学的最基本定律之一,它揭示出了物体之间由于物体具有质量而产生相互的吸引力,如地面上物体所受的重力,就是地球与物体之间的相互吸引力所产生的。两物体之间引力的大小与它们质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。地面上两物体之间的引力很小,因而一般不加考虑。

② 此处秒为角度单位,一周为360度,一度为60分,一分为60秒。下同此。

这是当时爱因斯坦推出的数值,现一般采用1.75秒的数值。

① 在可见光中,红光的频率最低。

① 爱因斯坦1905年3月提出了“从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中,而是由个数有限的、 局限在空间各点的能量子所组成,这些能量子能够运动,但不能再分割,而只能整个地被吸收或产生出来”的假设,即光的量子理论,从而掀开了光学发展史上的新一页, 为量子力学的创立和光的波粒两重性本质的揭示奠定了基础。

② 海森伯是二十世纪一位杰出的物理学家,1925年他提出了微观粒子的不可观察的力学量,如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定的运算来表示。随之,他与玻恩(德国物理学家,1882—1970年),约丹(德国物理学家, 1902—)合作建立了矩阵力学,在量子力学的建立过程中起着先驱的作用。1927年, 他又提出了测不准关系,成为量子力学的一个基本原理。其后,他还有不少贡献。

① 《马克思恩格斯选集》第3卷,第448页。

① 《马克思恩格斯选集》第3卷,第91页。

② 《列宁全集》第14卷,人民出版社1957年版,第179页。

① 量子力学是研究微观粒子运动规律的理论,是本世纪二、三十年代建立的现代物理学的理论基础之一。

② 即后来发现的正电子。

① 这里所说的宇宙实际上仅指整个无限宇宙的一个区域,因为在我们所处的宇宙体系之外,可能还有其他的宇宙体系。对此,科学家正在探索之中。

② 宇宙膨胀学说认为宇宙是在不断地膨胀着的。广义相对论的效应之一为恒星的光谱红移,在天文学家看来,这意味着星系是在作着离开我们的运动,也就是退行。如果宇宙中所有的星系都在退行,那么就好象一个气球上各点之间由于气球膨胀而距离增大一样,说明宇宙在膨胀。1929年美国天文学家哈勃(1889—1953年)发现星系退行速度和离我们的距离成正比,也就是离我们越远的星系退行速度越快。这个规律叫哈勃定理,后来不断得到天文观测资料的证实。

大爆炸学说认为宇宙起源于一个超高温、超高密度的“宇宙蛋”,由于某种原因突然发生大爆炸,其碎片向四面八方飞去,形成了无数的星系。br>① 广义相对论认为,引力是靠引力波传递的,就象电磁力靠电磁波传递一样。加速运动的电荷会发出电磁波,加速运动的质量也将发射引力波。引力波的速度与真空中的光速(每秒约30万公里)相等。

② 引力场是表征物质之间相互吸引作用的场。物体之间的万有引力作用就是通过引力场来传递的。其特点是:在场的同一点上,任何质量的物体都得到同样的加速度,例如在地球表面附近的引力场中,这种加速度相当于重力加速度。

电磁场是相互依存的电场和磁场的总称,它是物质存在的一种形式。

统一场论为企图把电磁、引力、强相互作用、弱相互作用等各种作用力统一起来的理论。

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