愛因斯坦與相對論

央視國際 (2005年03月01日 17:13)

　　關於光的性質，還有很多謎，直到現在也無法用科學解釋。光是怎樣産生的？在空間如何傳播？光怎樣從物質出現？光是什麼，是物質、振動、還是純能？顏色是否為光必不可少？對於這許許多多的問題，科學已經做出了部分解釋，但歸根結底，這些問題尚未解答。不過，20世紀初，在人們了解光、研究光的過程中，帶來了物理學的兩場革命，這就是相對論和量子論。為建立這兩個理論體系，許多科學家都做出了重要貢獻，他們都是一些傑出的物理學大師，其中最為突出的是愛因斯坦。

　　艾伯特愛因斯坦于1879年3月14日在德國小城烏爾姆出生，他的父母都是猶太人。愛因斯坦有一個幸福的童年，他的父親是位平靜、溫順的好心人，愛好文學和數學。他的母親個性較強，喜愛音樂，並影響了愛因斯坦，愛因斯坦從六歲起學小提琴，從此小提琴成為他的終生伴侶。愛因斯坦的父母對他有著良好的影響和家庭教育，家中瀰漫著自由的精神和祥和的氣氛。

　　和牛頓一樣，愛因斯坦年幼時也未顯出智力超群，相反，到了四歲多還不會説話，家裏人甚至擔心他是個低能兒。六歲時他進入了國民學校，是一個十分沉靜的孩子，喜歡玩一些需要耐心和堅韌的遊戲，例如用紙片搭房子。1888年進入了中學後，學業也不突出，除了數學很好以外，其他功課都不怎麼樣，尤其是拉丁文和希臘文，他對古典語言毫無興趣。當時的德國學校必須接受宗教教育，開始時愛因斯坦非常認真，但當他讀了通俗的科學書籍後，認識到宗教裏有許多故事是不真實的。12歲時他放棄了對宗教的信仰，並對所有權威和社會環境中的信念産生了懷疑，併發展成一種自由的思想。愛因斯坦發現周圍有一個巨大的自然世界，它離開人類獨立存在，就像一個永恒的謎。他看到，許多他非常尊敬和欽佩的人在專心從事這項事業時，找到了內心的自由和安寧。於是，少年時代的愛因斯坦就選擇了科學事業，希望掌握這個自然世界的奧秘，而一旦選擇了這一道路，就堅持不懈地走了下去，從來沒有後悔過。

　　1895年，愛因斯坦來到瑞士蘇黎世，準備投考蘇黎世的聯邦工業大學，雖然他的數學和物理考得很不錯，但其他科目沒有考好，學校校長推薦他去瑞士的阿勞州立中學學習一年，以補齊功課。在阿勞州立中學的這段時光中使愛因斯坦感到快樂，他嘗到了瑞士自由的空氣和陽光，並決心放棄德國國籍。

　　1896年，愛因斯坦正式成為一個無國籍的人，並考進了聯邦工業大學。大學期間，愛因斯坦迷上了物理學，一方面，他閱讀了德國著名物理學家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鑽研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學，並經常去理論物理學教授的家中請教。另一方面，他的大部分時間是去物理實驗室去做實驗，迷戀于直接觀察和測量。1900年，愛因斯坦大學畢業。1901年，他獲得了瑞士國籍。1902年，在他的朋友格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦終於在伯爾尼的瑞士聯邦專利局找到了一份穩定的工作——當技術員。

　　早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波，他産生了一個想法，如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什麼樣的世界景象呢？他將看不到前進的光，只能看到在空間裏振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發生嗎？

　　與此相聯絡，他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀，笛卡爾首次將它引入科學，作為傳播光的媒質。其後，惠更斯進一步發展了以太學説，認為荷載光波的媒介物是以太，它應該充滿包括真空在內的全部空間，並能滲透到通常的物質中。與惠更斯的看法不同，牛頓提出了光的微粒説。牛頓認為，發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流，粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒説佔了上風，然而到了19世紀，卻是波動説佔了絕對優勢，以太的學説也因此大大發展。當時的看法是，波的傳播要依賴於媒質，因為光可以在真空中傳播，傳播光波的媒質是充滿整個空間的以太，也叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發展，經過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學，並從理論與實踐上將光和電磁現象統一起來，認為光就是一定頻率範圍內的電磁波，從而將光的波動理論與電磁理論統一起來。以太不僅是光波的載體，也成了電磁場的載體。直到19世紀末，人們企圖尋找以太，然而從未在實驗中發現以太。

　　但是，電動力學遇到了一個重大的問題，就是與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。關於相對性原理的思想，早在伽利略和牛頓時期就已經有了。電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架，但在解釋運動物體的電磁過程時卻遇到了困難。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一個恒量，然而按照牛頓力學的速度加法原理，不同慣性係的光速不同，這就出現了一個問題：適用於力學的相對性原理是否適用於電磁學？例如，有兩輛汽車，一輛向你駛近，一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近，後一輛車的燈光遠離。按照麥克斯韋的理論，這兩種光的速度相同，汽車的速度在其中不起作用。但根據伽利略理論，這兩項的測量結果不同。向你駛來的車將發出的光加速，即前車的光速=光速+車速；而駛離車的光速較慢，因為後車的光速=光速-車速。麥克斯韋與伽利略關於速度的説法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢？

　　19世紀理論物理學達到了巔峰狀態，但其中也隱含著巨大的危機。海王星的發現顯示出牛頓力學無比強大的理論威力，電磁學與力學的統一使物理學顯示出一種形式上的完整，並被譽為“一座莊嚴雄偉的建築體系和動人心弦的美麗的廟堂”。在人們的心目中，古典物理學已經達到了近乎完美的程度。德國著名的物理學家普朗克年輕時曾向他的老師表示要獻身於理論物理學，老師勸他説：“年輕人，物理學是一門已經完成了的科學，不會再有多大的發展了，將一生獻給這門學科，太可惜了。”

　　愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。在伯爾尼專利局的日子裏，愛因斯坦廣泛關注物理學界的前沿動態，在許多問題上深入思考，並形成了自己獨特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照係以太的存在。他閱讀了許多著作發現，所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現，除了作為絕對參照係和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。於是他想到：以及絕對參照係是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？

　　愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作，並從哲學中吸收思想營養，他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明，但在電動力學中卻無法成立，對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認為，相對論原理應該普遍成立，因此電磁理論對於各個慣性係應該具有同樣的形式，但在這裡出現了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照係，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀末，馬赫在所著的《發展中的力學》中，批判了牛頓的絕對時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領悟到了什麼，回到家經過反復思考，終於想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，説：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯絡。他找到了開鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

　　1905年6月30日，德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》，在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章，它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點，是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想，但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學體系時也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動，在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理，在他看來，根本不存在絕對靜止的空間，同樣不存在絕對統一的時間，所有時間和空間都是和運動的物體聯絡在一起的。對於任何一個參照係和坐標係，都只有屬於這個參照係和坐標係的空間和時間。對於一切慣性係，運用該參照係的空間和時間所表達的物理規律，它們的形式都是相同的，這就是相對性原理，嚴格地説是狹義的相對性原理。在這篇文章中，愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本原理的根據，他提出光速不變是一個大膽的假設，是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果，他從同時的相對性這一點作為突破口，建立了全新的時間和空間理論，並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

　　什麼是同時性的相對性？不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢？一般來説，我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度，但如何沒出這一速度呢？我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在於測量時間，我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘，從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢？答案是還需要一種信號。這個信號能否將鐘對好？如果按照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣無窮後退，異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的，同時性必與一種信號相聯絡，否則我們説這兩件事同時發生是沒有意義的。

　　光信號可能是用來對時鐘最合適的信號，但光速不是無限大，這樣就産生一個新奇的結論，對於靜止的觀察者同時的兩件事，對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速運行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺時，甲站在站臺上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在後端，並在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡，通過測量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結論是，甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來説，收到的兩個光信號在同一時間間隔內傳播同樣的距離，並同時到達他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發生，它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙，情況則不同，因為乙與高速運行的列車一同運動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然後收到從後端傳來的光信號。對乙來説，這兩起事件是不同時的。也就是説，同時性不是絕對的，而取決於觀察者的運動狀態。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。

　　相對論認為，光速在所有慣性參考係中不變，它是物體運動的最大速度。由於相對論效應，運動物體的長度會變短，運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題，運動速度都是很低的（與光速相比），看不出相對論效應。

　　愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學，指出質量隨著速度的增加而增加，當速度接近光速時，質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式：E=mc2，質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。

　　1905年，愛因斯坦發表了關於狹義相對論的第一篇文章後，並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章，認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由於普朗克的推動，相對論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學術界的注意。

　　1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請聯邦工業大學的編外講師職位，但得到的答覆是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個大學的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終於得到了編外講師的職位，並在第二年當上了副教授。1912年，愛因斯坦當上了教授，1913年，應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。

　　在此期間，愛因斯坦在考慮將已經建立的相對論推廣，對於他來説，有兩個問題使他不安。第一個是引力問題，狹義相對論對於力學、熱力學和電動力學的物理規律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對論依據的場的觀點和極限的光速衝突。第二個是非慣性係問題，狹義相對論與以前的物理學規律一樣，都只適用於慣性係。但事實上卻很難找到真正的慣性係。從邏輯上説，一切自然規律不應該局限于慣性係，必須考慮非慣性係。狹義相對論很難解釋所謂的雙生了佯謬，該佯謬説的是，有一對孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據相對論效應，高速運動的時鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經變得很老了，因為地球上已經經歷了幾十年。而按照相對性原理，飛船相對於地球高速運動，地球相對於飛船也高速運動，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上，狹義相對論只處理勻速直線運動，而哥哥要回來必須經過一個變速運動過程，這是相對論無法處理的。正在人們忙於理解相對狹義相對論時，愛因斯坦正在接受完成廣義相對論。

　　1907年，愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此後，愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷發展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照係。愛因斯坦並且提出了封閉箱的説法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止于一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中，這是解釋等效原理最常用的説法，而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。

　　1915年11月，愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點的進動，並給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用於慣性係的相對論稱為狹義相對論，將只對於慣性係物理規律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理，並進一步表述了廣義相對性原理：物理學的定律必須對於無論哪種方式運動著的參照係都成立。

　　愛因斯坦的廣義相對論認為，由於有物質的存在，空間和時間會發生彎曲，而引力場實際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點進動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預言是引力紅移，即在強引力場中光譜向紅端移動，20年代，天文學家在天文觀測中證實了這一點。廣義相對論的第三大預言是引力場使光線偏轉，。最靠近地球的大引力場是太陽引力場，愛因斯坦預言，遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發生一點七秒的偏轉。1919年，在英國天文學家愛丁頓的鼓動下，英國派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食，經過認真的研究得出最後的結論是：星光在太陽附近的確發生了一點七秒的偏轉。英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了觀測報告，確認廣義相對論的結論是正確的。會上，著名物理學家、皇家學會會長湯姆孫説：“這是自從牛頓時代以來所取得的關於萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對認的書《狹義相對論與廣義相對論淺説》，到1922年已經再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。

　　狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經過去了很長時間，它經受住了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。　　

　　相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關係，得到了所有物理規律的廣義協變形式，並建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

　　狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，並提示了質量與能量相當，給出了質能關係式。這兩項成果對低速運動的宏觀物體並不明顯，但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關係式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件，而且為原子核物理學的發展和應用提供了根據。

　　廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到現在，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、緻密天體物理和黑洞物理這些屬於相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家進行研究。

　　一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位於最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對於科學的貢獻，更加深入地進入了人類思想基本要領的結構中。”（黃燁）

　　本文摘自《百年科學發現》

責編：戴昕 　來源：