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什么是相对论?56

——“时间、空间和万有引力”

很长时间以来,我跟学术界人士都没怎么联系了,因此,对于《泰晤士报》能提供这样一个机会,让我谈谈关于相对论的东西,我感到非常高兴,并很感动。而且借着这个机会,我要再三感谢英国的天文学家和物理学家。

在战争期间,贵国的一些著名科学家甘愿花费很多精力和时间,并且贵国的科学事业单位愿意为此支付大量的金钱,就是为了对一个在敌国完成并发表的理论进行验证,贵国在科学工作方面光荣而伟大的传统,确实值得钦佩。虽说太阳引起光线的弯曲已经是毋庸置疑的事实,然而我还是要由衷地感谢我的英国同行们。我之能够在有生之年看到自己的理论中最重要的部分被证实,端赖于他们所进行的那次探测活动。物理学有很多种理论,其中构造性的理论是最多的。这种构造性理论开始于最简单的形式体系,进而描绘出较为复杂的现象的图像。最好的例证莫过于气体分子运动论了,它认为是分子运动导致了机械的、热的和扩散的过程。在我们觉得已经成功并清晰地了解了很多自然过程的时候,那么也就意味着:对这些过程进行概括的构造性理论已经建立起来了。

此外,“原理理论”也是一种重要的理论。这种理论采用的方法是分析法而非综合法。它们并未采用假说以进行构造,而是将基础和出发点定在经验中的发现上。它们是自然过程的一般特征,也是一种原理。这些原理若要给出各个过程或它们的理论表述方式,还必须依据数学的形式。做了这项工作的包括热力学,它采用了分析方法,出发点就是永动机是不可能存在的,由此将满足各个事件成为可能的必然条件一一推导出来。

构造性理论和原理理论各有自己的特色。在解释事件的时候,前者更为明确、完备,并更具普适性,而后者的优点在于有着扎实的基础和完整的逻辑。相对论就是原理理论的一种。

首先要搞清楚相对论依据的原理是什么,然后才能对相对论的本性有所了解。在具体谈论相对论之前,我首先要跟大家说,相对论包括了相反的两大部分,跟一座两层建筑有点像,那就是狭义相对论和广义相对论。狭义相对论差不多能适用于所有的物理现象,但是无法将引力包容在其中,它同时是广义相对论的基础;广义相对论则刚好是狭义相对论的拓展与延伸,提出了一种引力定律,还将引力和自然界中别的力的关系揭示了出来。

我们从古希腊时代起就明白:在对一个物体的运动进行描述时,单纯地描述它本身是不行的,还要借助一个参照物,因此,我们就要将适合做参照物的另一个物体找出来。我们可以用地面做参照物,从而对一辆车的运动状态进行描述;以可见恒星为参照,而对一颗行星的运动进行描述。物理学中,我们把可以在空间上为另一事件做参照的事物称为坐标系。若是缺乏了坐标系,用公式来表示伽利略和牛顿的力学定律也会变得不可能。

必须慎重选择坐标系,即要求坐标系没有转动和加速度,这关系到力学定律是否有效。在力学中,一般都用“惯性系”来称呼这种坐标系。力学认为,惯性系的运动状态不是完全由自然界决定的。这样一条定理也是我们需要知道的:一个坐标系若是对一个惯性系作匀速直线运动,那么,此坐标系定然也是一个惯性系。“狭义相对性原理”就是对这个原理的推广,将一切自然界的事件都包括在其中,换句话说就是:自然界中的一切普遍规律,若是适用于坐标系C,那么,也定然同样适用于相对于C作匀速直线运动的坐标系C’。

另外,“光在真空中速度不变原理”是狭义相对论的另一条原理。这条原理揭示道:光的传播速度在真空状态中总是恒定不变,换而言之,在真空中,观测者的位置和光源的运动状态都不会影响到光速。因为麦克斯韦和洛伦兹的电动力学已经获得了巨大的成就,因而,这条原理的正确性也得到了物理学家的认可。

虽然它的基础是建立在许多强有力的经验和事实之上的,然而就逻辑学的角度而言,两者之间好像又有着矛盾。狭义相对论刚好在逻辑上很好地调和了两者,将这个矛盾解决掉了,因为它在一定程度上修改了经典运动学,即(从物理学的角度)对时空规律进行论述的学说。例如,只有在明确了两个事件是针对同一坐标系的这一点,才能说这两件事件是同时发生的。同样的,在对某物的形状或时钟运行的快慢加以描述时,与它们相对应的坐标系的运动状态都必须考虑在内。

然而包括伽利略和牛顿的运动定律在内的旧的经典物理学,对于这样的相对论运动则无法解释。上述两条原理若是普遍适用的,那么,适用于相对论运动学的普遍数学条件,也就要为自然规律所遵循。这些条件对于物理学是不可或缺的。尤其是当飞速运动着的质点的新运动定律已经被科学家所发现,并且带电粒子的运动情况已经证实了这条定律。如何确定物质体系的惯性质量,是狭义相对论最重要的成果,那就是:一个体系的惯性质量必然和它所包含的能量有一定的关系。然后,这样一个结论也出来了:有着越多的惯性质量,就有越大的潜在能量。于是,在这里,质量守恒原理的独立性就消失了,并彻底融入到了能量守恒原理之中。

在很大程度上,狭义相对论就是对麦克斯韦和洛伦兹电动力学的发展,它更系统地表现了他们的理论,并溢出了电动力学的范畴。然后,一系列的疑问就出现了:难道物理定律间坐标系运动状态不相关这一点,仅仅适用于坐标系的相互匀速直线运动吗?自然界、我们的坐标系和坐标系的运动状态之间,到底存在着怎样的关系呢?若是我们必须引入一个随机抽取的坐标系以对自然界进行描述,那么,在选择坐标系的时候,就无须考虑到它的运动状态,也就是说,这种选择应该不影响定律的有效性(广义相对性原理)。

为了帮助大家更好地理解这条广义相对性原理,下面我来说一个早被认可的经验事实。即:物体的惯性和质量受到同一常数的支配(惯性质量等于引力质量)。如果有这么一个坐标系,它对另一个牛顿惯性系作匀速转动,那么从牛顿力学的观点来说,惯性效应就会使这个坐标系产生离心力。然而实际上并非如此,因为这些离心力和重力一样,同物体的质量是成正比的。难道在这种情况之下,我们不能将此坐标系看成是静止的,而认为离心力即为万有引力吗?然而经典力学是显然无法认同这个观点的。

必须引出引力定律才能解释广义相对论,我们从上面的简略叙述中就可以了解到这一点。很多人已经就这个想法做了许多工作,并且证实了我们的希望。

然而,这条道路上依然有着很多难以预料的困难,因为接纳了它,就意味着将欧几里得几何抛开。换而言之,固体在空间中可能用到的定律,跟欧几里得几何给出的物体的空间定律并不完全相符,我们所说的“空间曲率”的意义就在这里了。在这种情况之下,一些基本概念如“直线”、“平面”等等,也都失去了它们本来的含义。

运动学,即空间和时间的学说,在广义相对论里面将会密切地与物理学的其他部分结合起来。物质本身会影响引力场,而引力场又会影响到时钟的快慢以及物体的几何性状。

就原理而言,新的引力场理论迥异于牛顿的经典理论,然而就实际结果上来说,它们却又很相近,要想找到它们之间的区别,仅仅依靠以往的经验是很困难的。迄今为止,能够给我们提供依据的情况有这些:

(1)行星以椭圆形的轨道围绕太阳旋转(人们已经从水星的运转中证实了这一点)。

(2)光线会在引力场中发生弯曲(英国人在日食观察中已经证实了这一点)。

(3)从大质量星球上放射到地球上的光线,会产生波长红移现象(目前为止这一点还没有得到证明)。

这个理论最大的特色,就在于有着完备的逻辑性。从这个理论中推导出来的结论有很多,这些结论中只要有一个被证明是错误的,那么,整个理论就会崩塌。要想在不摧毁其结构的基础上对它进行小修小补,那几乎是不可能的。

大家不要觉得,这个理论或者别的理论能够替代牛顿的伟大工作。在自然哲学领域,牛顿的理论已经成了我们整个近代概念结构的基础,无论在什么时代,他那明晰而伟大的观念,都不会失去其独特的意义。

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