高一物理學習方法：相對論的發(fā)展進程

　　誰是20世紀最偉大的人？美國《時代》周刊通過數百位當世名人的遴選，愛因斯坦、富蘭克林·羅斯福及甘地得票最高。而由英國物理學家史蒂芬·霍金撰文介紹的愛因斯坦，成為無可爭議的20世紀最偉大的人。

　　史蒂芬·霍金教授，是當今世界最著名的物理學家，黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人，著名的《時間簡史》的作者�，F(xiàn)任劍橋大學數學中心主席，這個職位是牛頓生前職位。

　　旅美學者翟宏營，曾獲英國牛津大學物理研究所特殊頒證的物理學家，現(xiàn)任休斯頓大學研究員；張嵐，現(xiàn)為休斯頓大學材料科學博士生，美國物理學會會員。他們將史蒂芬·霍金的文章譯成中文，通過本報介紹給讀者。文章告訴我們相對論是怎樣的？它是如何描述世界的？為什么說相對論改變了整個世界？請欣賞這篇不可多得的出自當今世界最著名的物理學家之手的關于相對論的初級讀物。——編者

　　十九世紀后期，科學家相信他們對宇宙的完整描述已經接近尾聲。他們想象一種叫“以太”的連續(xù)介質充滿了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號是“以太”中的波。

　　然而，與空間完全充滿“以太”的思想相悖的結果不久就出現(xiàn)了：根據“以太”理論應得出，光線傳播速度相對于“以太”應是一個定值，因此，如果你沿與光線傳播相同的方向行進，你所測量到的光速應比你在靜止時測量到的光速低；反之，如果你沿與光線傳播相反的方向行進，你所測量到的光速應比你在靜止時測量到的光速高。但是，一系列實驗都沒有找到造成光速差別的證據。

　　在這些實驗當中，阿爾波特·邁克爾遜和埃迪沃德·莫里1887年在美國俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所所完成的測量，是最準確細致的。他們對比兩束成直角的光線的傳播速度，由于圍著自轉軸的轉動和繞太陽的公轉，根據推理，地球應穿行在“以太”中，因此上述成直角的兩束光線應因地球的運動而測量到不同的速度，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。不論你是否運動，光線看起來總是以相對于你同樣的速度傳播。

　　愛爾蘭物理學家喬治·費茲哥立德和荷蘭物理學家亨卓克·洛侖茲，最早認為相對于“以太”運動的物體在運動方向的尺寸會收縮，而相對于“以太”運動的時鐘會變慢。而對“以太”，費茲哥立德和洛侖茲當時都認為是一種真實存在的物質。

　　這時候，工作在瑞士首都伯爾尼的瑞士專利局的一個名叫阿爾波特·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，由于你無法探測出你是否相對于“以太”的運動，因此，關于“以太”的整個概念是多余的。相反，愛因斯坦認為科學定律對所有自由運動的觀察者都應有相同的形式，無論觀察者是如何運動的，他們都應該測量到同樣的光速。

　　愛因斯坦的這個思想，要求人們放棄所有時鐘測量到的那個普適的時間概念，結果是，每個人都有他自己的時間值：如果兩個人是相對靜止的，那么，他們的時間就是一致的；如果他們間存在相互的運動，他們觀察到的時間就是不同的。

　　大量的實驗證明了愛因斯坦的這個思想是正確的，一個繞地球旋轉的精確的時鐘，與存放在實驗室中的精確時鐘確有時間指示上的差別。如果你想延長你的生命，你就可以乘飛機向東飛行，這樣可以疊加上地球旋轉的速度，你無論如何可以獲得那零點幾秒的生命延長，也可以以此彌補因你進食航空食品而帶來的損害。

　　愛因斯坦認為的對所有自由運動的觀察者自然定律都相同這個前提，是相對論的基礎，這樣說的原因是因為，這個前提隱含了只有相對運動是重要的。雖然相對論的完美與簡潔折服了許許多多科學家和哲學家，但是仍然有很多的相反意見。愛因斯坦摒棄了19世紀自然科學的兩個絕對化觀念：“以太”所隱含的絕對靜止和所有時鐘所測量得到的絕對或普適時間。人們不禁要問：相對論是否隱含了任何事物都是相對的而不再會有概念上絕對的標準了？

　　這種不安從20世紀20年代一直持續(xù)到30年代。1921年，愛因斯坦由于對光電效應的貢獻，得到了諾貝爾物理獎，但由于相對論的復雜及有爭議，諾貝爾獎的授予只字未提相對論。

　　到現(xiàn)在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛因斯坦錯了。盡管如此，現(xiàn)在相對論被科學界完全接受，相對論的預言已經被無數的實驗所證實。

　　相對論的一個重要結果是質量與能量的關系。愛因斯坦的假定光速對所有的觀察者是相同的，暗示了沒有可以超過光速運行的事物，如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應能量，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？被加速物體的質量就會增大，使得很難進行再快的加速，要想把一個粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無限大的能量。質量與能量的等價關系被愛因斯坦總結在他的著名的質能方程“E＝mc2”中，這或許是能被大街小巷婦孺皆知的唯一一個物理方程了。

　　鈾原子核裂變成兩個小的原子核時，由于很小一點的質量虧損，會釋放出巨大的能量。這就是質能方程眾多結論中的一個。1939年，第二次世界大戰(zhàn)正陰云密布，一組意識到裂變反應應用的科學家說服愛因斯坦戰(zhàn)勝自己是和平主義者的顧忌，去給當時的美國總統(tǒng)富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫信，勸說美國開始核研究計劃，這鑄就了曼哈頓工程和1945年在廣島上空原子彈的爆炸。有人因原子彈而責備愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了質能關系，但是這種責難就像因有飛機遇難折戟而責備牛頓發(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。

　　盡管相對論與電磁理論的有關定律結合得非常完美，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分布，整個宇宙中重力場的改變是同時發(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（這是為相對論所不容的），而且需要絕對或普適的時間概念，這又是為相對論所拋棄的。

　　愛因斯坦從1907年就知道了這個不相容的困難，那時他還在波恩的專利局工作，但直到1911年，愛因斯坦在德國的布拉格工作時，他才深入思考這個問題。愛因斯坦意識到加速與重力場的密切關系，在密封廂中的人，無法區(qū)分他自己對地板的壓力是由于他處在地球的重力場中的結果，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”的時代之前，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的。但是，這種加速與重力的等價在地球是圓形的前提下不再成立，因為在地球相反一面的人將會被反向加速，但兩面觀察者之間的距離卻是不變的。

　　1912年在轉回瑞士蘇黎士時，愛因斯坦來了靈感，他意識到如果真實幾何中引入一些調整，重力與加速的等價關系就可以成立。愛因斯坦想象，如果三維空間加上第四維的時間所形成的空間－時間實體是彎曲的，那結果是怎樣的呢？他的思想是，質量和能量將會造成時空的彎曲，這在某些方面或許已經被證明。像行星和蘋果，物體將趨向直線運動，但是，他們的徑跡看起來會被重力場彎曲，因為時空被重力場彎曲了。

　　在他的朋友馬歇爾·格盧斯曼的幫助下，愛因斯坦學習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，從未想到與真實世界會有聯(lián)系。1913年，在愛因斯坦與格盧斯曼合作發(fā)表的文章中，他們提出了一個思想：我們所認識的重力，只是時空是彎曲的事實的一種表述。但是，由于愛因斯坦的一個失誤（愛因斯坦是個真正的人，也會犯錯誤），他們當時未能找出聯(lián)系時空彎曲的曲率與蘊含于其中的能量質量的關系方程。

　　在柏林時，愛因斯坦繼續(xù)就這個問題進行工作，他沒有了家庭的煩擾，在很大程度上也未被戰(zhàn)爭所影響。1915年11月，愛因斯坦最終發(fā)現(xiàn)了聯(lián)系時空彎曲與蘊含其中的能量質量的關系方程式。1915年夏天，在訪問哥廷根大學期間，愛因斯坦曾與數學家戴維·希爾波特討論過他的這個思想，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的，這種新理論的榮譽應屬于愛因斯坦，而正是愛因斯坦將重力與彎曲時空聯(lián)系起來。這還應感謝文明的德國，因為，是在那里，在當時的戰(zhàn)爭期間，這樣的科學討論及交流仍能夠得以不受影響地進行，與20年后（指二戰(zhàn)，編者注）所發(fā)生的事形成多么大的對比！