高一物理學(xué)習方法：相對論的發(fā)展進(jìn)程

　　誰(shuí)是20世紀最偉大的人？美國《時(shí)代》周刊通過(guò)數百位當世名人的遴選，愛(ài)因斯坦、富蘭克林·羅斯福及甘地得票最高。而由英國物理學(xué)家史蒂芬·霍金撰文介紹的愛(ài)因斯坦，成為無(wú)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(zhù)名的物理學(xué)家，黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng )立人，著(zhù)名的《時(shí)間簡(jiǎn)史》的作者�，F任劍橋大學(xué)數學(xué)中心主席，這個(gè)職位是牛頓生前職位。

　　旅美學(xué)者翟宏營(yíng)，曾獲英國牛津大學(xué)物理研究所特殊頒證的物理學(xué)家，現任休斯頓大學(xué)研究員；張嵐，現為休斯頓大學(xué)材料科學(xué)博士生，美國物理學(xué)會(huì )會(huì )員。他們將史蒂芬·霍金的文章譯成中文，通過(guò)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(shuō)相對論改變了整個(gè)世界？請欣賞這篇不可多得的出自當今世界最著(zhù)名的物理學(xué)家之手的關(guān)于相對論的初級讀物。——編者

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

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

　　在這些實(shí)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(xiàn)的傳播速度，由于圍著(zhù)自轉軸的轉動(dòng)和繞太陽(yáng)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(xiàn)應因地球的運動(dòng)而測量到不同的速度，莫里發(fā)現，無(wú)論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線(xiàn)光速的不同。不論你是否運動(dòng)，光線(xiàn)看起來(lái)總是以相對于你同樣的速度傳播。

　　愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·費茲哥立德和荷蘭物理學(xué)家亨卓克·洛侖茲，最早認為相對于“以太”運動(dòng)的物體在運動(dòng)方向的尺寸會(huì )收縮，而相對于“以太”運動(dòng)的時(shí)鐘會(huì )變慢。而對“以太”，費茲哥立德和洛侖茲當時(shí)都認為是一種真實(shí)存在的物質(zhì)。

　　這時(shí)候，工作在瑞士首都伯爾尼的瑞士專(zhuān)利局的一個(gè)名叫阿爾波特·愛(ài)因斯坦的年輕人，插手“以太”說(shuō)，并一次性永遠地解決了光傳播速度的問(wèn)題。

　　在1905年的文章中，愛(ài)因斯坦指出，由于你無(wú)法探測出你是否相對于“以太”的運動(dòng)，因此，關(guān)于“以太”的整個(gè)概念是多余的。相反，愛(ài)因斯坦認為科學(xué)定律對所有自由運動(dòng)的觀(guān)察者都應有相同的形式，無(wú)論觀(guān)察者是如何運動(dòng)的，他們都應該測量到同樣的光速。

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

　　大量的實(shí)驗證明了愛(ài)因斯坦的這個(gè)思想是正確的，一個(gè)繞地球旋轉的精確的時(shí)鐘，與存放在實(shí)驗室中的精確時(shí)鐘確有時(shí)間指示上的差別。如果你想延長(cháng)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(wú)論如何可以獲得那零點(diǎn)幾秒的生命延長(cháng)，也可以以此彌補因你進(jìn)食航空食品而帶來(lái)的損害。

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

　　這種不安從20世紀20年代一直持續到30年代。1921年，愛(ài)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。

　　到現在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛(ài)因斯坦錯了。盡管如此，現在相對論被科學(xué)界完全接受，相對論的預言已經(jīng)被無(wú)數的實(shí)驗所證實(shí)。

　　相對論的一個(gè)重要結果是質(zhì)量與能量的關(guān)系。愛(ài)因斯坦的假定光速對所有的觀(guān)察者是相同的，暗示了沒(méi)有可以超過(guò)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(huì )發(fā)生什么現象呢？被加速物體的質(zhì)量就會(huì )增大，使得很難進(jìn)行再快的加速，要想把一個(gè)粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無(wú)限大的能量。質(zhì)量與能量的等價(jià)關(guān)系被愛(ài)因斯坦總結在他的著(zhù)名的質(zhì)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(gè)物理方程了。

　　鈾原子核裂變成兩個(gè)小的原子核時(shí)，由于很小一點(diǎn)的質(zhì)量虧損，會(huì )釋放出巨大的能量。這就是質(zhì)能方程眾多結論中的一個(gè)。1939年，第二次世界大戰正陰云密布，一組意識到裂變反應應用的科學(xué)家說(shuō)服愛(ài)因斯坦戰勝自己是和平主義者的顧忌，去給當時(shí)的美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫(xiě)信，勸說(shuō)美國開(kāi)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(ài)因斯坦發(fā)現了質(zhì)能關(guān)系，但是這種責難就像因有飛機遇難折戟而責備牛頓發(fā)現了萬(wàn)有引力一樣。愛(ài)因斯坦沒(méi)有參與曼哈頓工程的任何過(guò)程并驚懼于那巨大的爆炸。

　　盡管相對論與電磁理論的有關(guān)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(zhì)分布，整個(gè)宇宙中重力場(chǎng)的改變是同時(shí)發(fā)生的，這不但意味著(zhù)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(shí)間概念，這又是為相對論所拋棄的。

　　愛(ài)因斯坦從1907年就知道了這個(gè)不相容的困難，那時(shí)他還在波恩的專(zhuān)利局工作，但直到1911年，愛(ài)因斯坦在德國的布拉格工作時(shí)，他才深入思考這個(gè)問(wèn)題。愛(ài)因斯坦意識到加速與重力場(chǎng)的密切關(guān)系，在密封廂中的人，無(wú)法區分他自己對地板的壓力是由于他處在地球的重力場(chǎng)中的結果，還是由于在無(wú)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(shí)代之前，愛(ài)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(shuō)蘋(píng)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(píng)果上是等價(jià)的。但是，這種加速與重力的等價(jià)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(huì )被反向加速，但兩面觀(guān)察者之間的距離卻是不變的。

　　1912年在轉回瑞士蘇黎士時(shí)，愛(ài)因斯坦來(lái)了靈感，他意識到如果真實(shí)幾何中引入一些調整，重力與加速的等價(jià)關(guān)系就可以成立。愛(ài)因斯坦想象，如果三維空間加上第四維的時(shí)間所形成的空間－時(shí)間實(shí)體是彎曲的，那結果是怎樣的呢？他的思想是，質(zhì)量和能量將會(huì )造成時(shí)空的彎曲，這在某些方面或許已經(jīng)被證明。像行星和蘋(píng)果，物體將趨向直線(xiàn)運動(dòng)，但是，他們的徑跡看起來(lái)會(huì )被重力場(chǎng)彎曲，因為時(shí)空被重力場(chǎng)彎曲了。

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

　　在柏林時(shí)，愛(ài)因斯坦繼續就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行工作，他沒(méi)有了家庭的煩擾，在很大程度上也未被戰爭所影響。1915年11月，愛(ài)因斯坦最終發(fā)現了聯(lián)系時(shí)空彎曲與蘊含其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程式。1915年夏天，在訪(fǎng)問(wèn)哥廷根大學(xué)期間，愛(ài)因斯坦曾與數學(xué)家戴維·希爾波特討論過(guò)他的這個(gè)思想，希爾波特早于愛(ài)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(yù)應屬于愛(ài)因斯坦，而正是愛(ài)因斯坦將重力與彎曲時(shí)空聯(lián)系起來(lái)。這還應感謝文明的德國，因為，是在那里，在當時(shí)的戰爭期間，這樣的科學(xué)討論及交流仍能夠得以不受影響地進(jìn)行，與20年后（指二戰，編者注）所發(fā)生的事形成多么大的對比！