夜空中最亮的星|世纪伟人爱因斯坦——相对论

夜空中最亮的星|世纪伟人爱因斯坦——相对论

来源：湖北科学技术出版社
作者：梁军


爱因斯坦的《相对论》手稿

1905年爱因斯坦发表《论动体的电动力学》时，距离1686年牛顿发表《自然哲学的数学原理》已经过去了219年，经典物理学历经这200多年的发展，已经形成以牛顿力学、麦克斯韦电磁理论和经典统计力学为支柱的严密而完整的理论体系。面对如此辉煌的成就，当时大多数物理学家都深信，物理学的发展已经至善至美。因为他们认为绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立，经典力学和经典物理学已结合成严密而优美的体系，物理学剩下的不过是解微分方程和具体应用而已。

开尔文勋爵1900年在皇家学会发表的《新年献词》中说：“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷。大厦上空只漂浮着两朵‘乌云’——迈克尔逊-莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”让勋爵没有想到的是，为了解决这两个看似轻飘飘的问题，物理学界却发生了一场大变革，不光导致了相对论和量子力学的诞生，也同时标志着经典物理学谢幕，现代物理学正式登场。而爱因斯坦正是拉开新时代大幕的第一人。

受经典力学思想影响，如水波的传播要借助水，声波的传播要借助空气一样，物理学家认为光波也需要借助某种介质传播，这种介质被称为“以太”。按照当时的设想，以太应当充满宇宙，无所不在，没有质量，绝对静止，光波在其中传播。假设太阳静止在以太系中，由于地球在围绕太阳公转，相对于以太具有一个速度v，因此如果在地球上测量光速，在不同的方向上测得的数值应该是不同的，最大为c+v，最小为c-v。即使太阳在以太系上不是静止的，这个推论也成立，总之，在地球上测量不同方向的光速，应该是不同的。

1887年，美国物理学家迈克尔逊用他设计的高精度镜式干涉仪和莫雷合作实验，打算通过光的干涉原理测量不同方向上的光速，从而得出地球在绝对以太空间运行的速度v，从而证明以太的存在。这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验。让迈克尔逊、莫雷以及其他物理学家迷惑不解的是，实验结果是零，不同方向上的光速竟然完全没有差异。难道以太并不存在？为何光速没有受到地球运动的影响？这两个疑问就是开尔文勋爵所说的第一朵“乌云”。

1892年，荷兰的物理学家洛伦兹为了解释迈克尔逊-莫雷实验的结果，独立地提出了长度收缩的假说，认为相对以太运动的物体，其运动方向上的长度缩短了。1895年，他发表了长度收缩的准确公式。1899年，他在发表的论文里，讨论了惯性系之间坐标和时间的变换问题。1904年，洛伦兹证明，当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速将不是一个不变的量，从而导致对不同惯性系的观察者来说，麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的。为了解决这个问题，他发表了著名的变换公式（洛伦兹变换），并指出光速是物体相对于以太运动速度的极限。

“以太说”曾经在一段历史时期内是非常主流的物理学说，爱因斯坦从小就对以太这种神秘的宇宙物质很感兴趣，他试图在物理文献中寻找地球在以太中运动的实验证据，但是没有成功。在大学的时候，他甚至设计了一个实验装置想通过测试不同方向上的反射光的能量差来证明以太的存在。虽然他没条件做这个实验，但是这个实验的思路与迈克尔逊-莫雷实验非常相似，因此，当他得知迈克尔逊的实验结果时，他很快就得出了一个与众不同的结论：如果相信迈克尔逊-莫雷实验的各方向光速差值为零的结果，那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任何光学实验探测出来。”

爱因斯坦的父亲从小就打算把他培养成电机工程师，因此他十六七岁时就自学并弄懂了麦克斯韦的电磁学理论，他十分熟悉有关电动力学的有关知识，他读了洛伦兹的论文后就相信，麦克斯韦洛伦兹的电动力学方程在推导上是正确的，和迈克尔逊-莫雷实验一样可以推导出光速不变的结论。因此，洛伦兹的假说在物理上没有什么意义，也无法解释为什么与经典力学中速度相加原理相违背。

另外一个对爱因斯坦的发展影响很大的人是奥地利物理学家马赫，他曾经在《力学史评》中对牛顿的绝对时空观进行了有力的批判，这对爱因斯坦产生了深刻的影响。当爱因斯坦花了差不多一年的时间去研究洛伦兹的理论时，他找到了解决所有的困难的办法，那就是放弃以太，放弃绝对坐标系，放弃绝对时间和绝对空间的概念，用相对性原理来解释一切：不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系或坐标系，都只有属于这个参照系或坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的。一切迎刃而解，爱因斯坦在5周里就完成了论述狭义相对论原理的论文《论动体的电动力学》，他后来回忆道：

一旦这种想法的正确性得到了承认，最后成果就水到渠成了。任何聪明的大学生理解这些成果都不会有什么困难。但是，在一个人茅塞顿开、恍然大悟之前，在黑暗中探索能感受到但又表达不出真理的那些年代里，那种强烈的求知欲望，那种时而有信心时而又产生疑虑的心理变化，只有亲身经历的人才能知道是什么滋味。

首先注意到爱因斯坦的是普朗克，他是另一朵“乌云”的解答者：在研究黑体辐射问题时，他提出了“能量量子化的假说”，认为在热辐射过程中能量的放出和吸收都是以不连续方式进行，能量的最小数值叫“量子”，它的数值取决于基本作用量“普朗克常数”，每次放出和吸收的辐射能都是这个数值的整数倍，他给出了黑体辐射的普朗克公式，圆满解释了实验现象。但是那时的他仍旧想把自己的理论纳入经典物理学的框架之下。他坚持光的波动理论，反对爱因斯坦的光量子理论，并说：“光量子理论不是后退了几十年，而是后退了几百年，那时克里斯蒂安·惠更斯就用光的波动论，打败了已占据优势的牛顿的光的粒子论。”

有趣的是，虽然普朗克这么坚决地反对爱因斯坦的光量子理论，直到1911年第一次索尔维会议上才被爱因斯坦说服，但是这一点也不妨碍他发现了爱因斯坦的狭义相对论的重要意义。作为《物理学年鉴》的编辑委员，当普朗克读到爱因斯坦的《论动体的电动力学》时，马上就意识到了这个理论的革命性意义，他给爱因斯坦写了一封信，信中写道：“你这篇论文发表之后，将会发生这样的战斗，只有为哥白尼的世界观进行过的战斗才能和它相比……”这个预言非常准确，这篇论文所阐述的狭义相对论引发了一场最激烈的争论，远远超出了最初的哲学思想范畴，对自然科学的思想体系产生了极其深远的影响。

另一个率先意识到这一点的是爱因斯坦在苏黎世联邦理工学院的数学老师闵可夫斯基，他很快理解并看出了学生的这篇《论动体的电动力学》的深刻意义，他引入四维张量理论描述狭义相对论，并在1907年发表了相关论文，在第二年的学术会议上做了题为《空间和时间》的学术报告，宣传相对论的思想，其中有段著名的话广为流传：“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实中存在的只有空间和时间的统一体。”闵可夫斯基的报告引起了与会者的巨大反响。可惜3个多月后，他就不幸患疾病去世了。闵可夫斯基在临终时说道：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”值得欣慰的是，他的四维张量理论对帮助爱因斯坦用数学描述广义相对论起到了重要作用。

相对论是爱因斯坦最杰出的成就，他随后又花了10年时间，把相对论从惯性系推广到非惯性系，将狭义相对论发展成为广义相对论。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，加上1915年爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交的4篇论文，宣告了广义相对论的诞生。广义相对论指出，物质的存在会使空间和时间发生弯曲，而引力场实际上就是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了天文学观察中发现的水星近日点进动中43秒的偏转的现象。广义相对论预言了强引力场中光谱向红端移动，后来也被天文学家证实。广义相对论的最广为人知的预言是恒星发出的星光在经过太阳附近时会发生1.7秒的偏转。

1919年，在相对论的狂热支持者英国天文学家爱丁顿的争取下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过艰苦而认真的观测得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了1.7秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式发表了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。在宣读会上，皇家学会会长开尔文勋爵说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果，爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一。”

授权方：湖北科学技术出版社

作者：梁军

责任编辑：贺治瑞