七通向广义相对论之路

仔细研究过日食观测所摄的照片之后，我可以确定地说，这一观测结果毫无疑问印证了爱因斯坦的预言。就此可以得出明确的结论，即正如爱因斯坦引力理论所说的那样，光在引力的作用下发生了偏斜。

在爱丁顿爵士1919年5月观测日食之旅后，英国皇家天文学会科学家弗兰克·戴森爵士证实爱因斯坦广义相对论的正确性

亲爱的妈妈，今天有好消息要告诉您。H.A.洛伦兹给我的电报中说，英国观测队对日食的观测已确认：光线在太阳引力的作用下确实发生了偏斜。

摘自1919年9月27日给母亲保利娜·爱因斯坦的信，告知广义相对论已通过实验证实

二十世纪初《物理学纪事》，是世界上最负盛名的物理学学术刊物，几乎所有懂德语的科学家都很重视它。就是这份刊物发表了爱因斯坦1905年的一系列重要论文。如果这些论文发表时能引起一些争议那倒合了爱因斯坦的心意，他妹妹玛雅在为其兄长写的一篇小传中透露，爱因斯坦当时很希望这些论文能引起“尖锐的反对声音和严厉的批评”。但是令他大失所望的是，论文发表后就如泥牛入海无声无息，玛雅描述当时学术界的反应仅仅是“冰冷的静默”。不过这些静默没有持续多久，很快有人就此做出反应。德国著名物理学家麦克斯·普朗克给爱因斯坦写信，请求他解释一下论文中一些表述不那么清楚的地方。爱因斯坦很快回信作了解释。除了爱因斯坦本人，普朗克成为世界上第一个写论文探讨相对论的物理学家。这种尴尬局面很快有了突破，爱因斯坦在苏黎世联邦技术大学的教授赫尔曼·明可夫斯基也对他的狭义相对论产生了兴趣。明可夫斯基是一个数学家，他创造了一些物理学家常用的术语，如锥形光束，世界线（基本粒子在时空中保持同一性的时间和位置的运行通路）等。不过他更重要的成就是使学界开始注意爱因斯坦的狭义相对论。

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狭义相对论中用到两个参照系，其中一个相对于另一个作直线匀速运动。爱因斯坦原以为大部分的物理现象都能够适用于他的狭义相对论。但是，物理学家们，包括爱因斯坦自己，很快意识到这个理论在一种情况下解释物理现象将产生问题，即在引力作用场中。人们追问：如果其中一个参照系相对于另一个作加速运动的话将会产生什么结果？这个追问也许是促使爱因斯坦把引力因素引入到相对论理论中的关键所在。

在狭义相对论发表之前，物理学界就对研究加速运动现象颇为头疼。在一个作加速运动的参照系里将会发生奇怪的“假想力”现象。假设你在一辆车上以逆时针方向以相当快的速度驾驶，如果速度快到一定程度你将被推往车外，即被推往驾驶室右边。你感到有一种力量把你从绕着旋转的圆心向外推，这就是所谓的离心力（Centrifugal，该词来源于两个拉丁语单词，意为“从中心飞出”），但这个力其实并非真实存在。快速做圆周运动的车所产生的离心力使车倾向于与该车当时运动方向垂直的方向运动，但车的惯性却促使它向前作直线运动。这两种力相互作用下，车最终得以继续沿着原来的方向作圆周运动，离心力即为这两种力相互抵消相互作用的合力，并不是一种真实存在的力。

要在相对论中把加速运动的因素考虑进去，爱因斯坦需要更多的灵感来解开这个迷局。1907年的某一天，正在苦思引力加速运动问题的他突然之间获得所需的灵感，他后来把这次的灵光一现称为“一生中最幸福的时刻”。当时他受邀写一篇概括狭义相对论研究进展情况的文章。这次约稿不是来自《物理学纪事》杂志，而是来自德国著名的物理学家约翰尼斯·斯塔克，他当时是《辐射学年鉴》的编辑。爱因斯坦对此相当重视，花了很多时间和精力准备这篇文章，希望在文中把引力现象也概括到相对论理论中。他后来回忆道，他当时正“坐在伯尔尼专利局的办公桌前的椅子上”，那个幸福的灵感突然从脑中蹦出：如果一个人从屋顶摔下来，他感觉不到自己的体重。这正是他所需要的思路的突破！这个想法后来被称为“等效原理”，即把一个参照系置于引力作用下，与其静止状态时加上相应的加速度效果是一样的。有了这个等效原理，就可以将相对性原理扩展到非惯性系统中。爱因斯坦把这个发现写入斯塔克约稿的理论回顾文章中。

其实类似的想法早已有之。16世纪时有一个著名的实验，现在的人们将之视为一段传奇。当时意大利科学家伽利略从著名的比萨斜塔上作了铁球自由落体实验，其结果是质量不同的两个小球同时落地。这个实验的影响是深远的，它揭示了引力与物体的质量成比例。而根据艾萨克·牛顿的理论，造成物体作加速运动的非引力与该物体惯性质量相关。伽利略的实验显示这两种现象是等效的，虽然他没有具体解释为什么会这样。爱因斯坦的理论就是在这些认识上进行进一步探索得出。他在有关等效原理的论述中认为，惯性质量和引力质量之间是等级的。多年以后，在1964年，美国密苏里州物理学家罗伯特·迪克利用高科技设备重新演示伽利略的自由落体实验，他把三件体积相等物体，其中两个由轻质的铝金属制成，另外一个则由密度大得多的黄金制成，都置于一个高灵敏度的扭秤（利用扭力测量微力的一种仪器）通过飞船送到太空中。在太空中，宇宙飞船的飞行与地球引力相互抵消，达到一种没有引力的理想情况，然后扭秤朝向太阳落下。如果引力和惯性质量不一样，则铝制物体和黄金制物体落向太阳时，其速度将有细微不同，用扭秤可以轻而易举测量出来。在实验中迪克没有发现有实质意义的速度差异，爱因斯坦的理论再次安然通过了苛刻的高精度的实验检验。迪克是一个兴趣广泛的物理学家，他所申请的专利涉及从衣服染料到辐射器具等广泛的领域，他因为设计这个精妙的实验和其他贡献而应该在相对论发展史上特别提及。当许多物理学家们为爱因斯坦优雅、简洁而漂亮的著名等式而折服时，迪克发出了他很有深度的质疑：为什么自然就应该是优雅、简洁或漂亮呢？他开始着手构建一套与爱因斯坦相对论相反的理论，这一理论也将置于所有检验过爱因斯坦理论的各种实验中接受检验，因为如果实践检验他的理论错误，则即可反证爱因斯坦理论的正确，他还为此设计出一系列非常聪明而精细的实验。正是由于迪克的不懈努力，相对论理论才成更加为一个为实验所证实的理论，从而成为物理学中最精确的理论之一。