• 爱因斯坦的成功传奇故事(5)

  • 发布时间:2016-06-29 11:49 浏览:加载中

  • 五、广义相对论


      在狭义相对论发表以后,爱因斯坦科学研究的主流就在于探索更广泛的理论,这就是广义相对论。但是这个理论只 局限于彼此做相对运动的参考系,而不能用于参考系的一般运动。他力图突破这种限制,设法解决在一般情况中的相对论问题。1907年约翰·斯塔克要爱因斯坦 为《放射学和电子学年鉴》写一篇关于狭义相对论的专题论文。在写这篇文章时,他忽然想到,几乎所有自然规律都可以在狭义相对论的框架内加以讨论,而惟独引 力定律不行。最令他不满意的是,虽然狭义相对论对惯性和能量之间的关系已经做了明确的阐述,但是对惯性和重量或引力场能量之间的关系并没有阐述清楚。他意 识到这个问题不可能在狭义相对论的框架内得到解决。如何下手呢?

      有一天,这个问题忽然有了突破。爱因斯坦在伯尔尼专利局,正坐在一把 椅子上,突然一个想法打动了他:如果一个人自由下落,他就不会感觉到自己的重量。他吃了一惊。这个简单的思想实验对他有极深刻的影响,它把爱因斯坦引向了 引力理论。他坐在椅子上继续思考:一个下落的人被加速,那么他的感觉和判断就都发生在加速的参考系中。他决定把相对论扩展到有加速度的参考系。他感到,这 样做就有可能同时解决引力问题。一个正在下落的人感觉不到自己的重量,因为可看作在他的加速度参考系中有一个新的引力场,它抵消了地球的引力场,在加速度 的参考系中,看来需要一个新的引力场。

      爱因斯坦做了进一步的思考,将思考的结果写入发表在德国《放射学和电子学年鉴》1907年第四 卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。在该文的第五部分“相对性原理和引力”中,他一开始就提出一个问题:“是否可以设想,相对性原理对于相互 做加速运动的参照系也仍然成立?”也就是说,应该成立一条“广义相对性原理”:即所有参考物体K、K′等不论它们的运动状态如何,对于描述自然现象(表述 普遍的自然规律)都是等效的。惯性参照系不应该是自然界中的一种具有特殊地位的参照系。

      同时,在该部分,他明确提出了“等效原理”: 引力场同参照系的相当的加速度在物理学上完全等价。所谓等效原理,即认为从时空小范围来看,一个没有引力场的匀加速运动的坐标系同有引力场的惯性系是等价 的。也就是说,可以在任何一个局部范围内找到一个坐标系,使引力在其中被消除。其合理性可以通过一个理想电梯实验来说明。比如,一个人处于密闭的电梯内, 在地球引力场内让电梯处于静止或匀速运动的状态,此时电梯是一个有引力场的惯性系,电梯内的人受到引力作用,使他的脚同地板间产生的压力等于他的重量。另 外再设想若不存在地球引力场,而使密闭的电梯以与重力加速度数值相等的加速度向上运动,此时电梯是一个没有引力场的非惯性系,电梯里的人在惯性的作用下使 脚同地板间也产生一个压力,其数值显然也等于他的重量。处于上述两种情况的人将无法区别电梯到底是处于加速运动状态还是处于引力场中。假使处于地球引力场 中的电梯绳索断了,那么电梯将做自由落体运动,这时处于密闭电梯中的人将看不到任何引力存在的现象,即处于失重状态。这说明,可以通过选择某种坐标系,在 局部范围内使引力完全消除。这个理想实验也说明,任何可以归属于加速参照系的效应都可被看做是一种引力效应。

      1913年秋,爱因斯坦从苏黎世前往维也纳出席自然科学家会议。他在这个会议上做了一个关于广义相对论的比较通俗的报告。尽管理论还未最终完成,但爱因斯坦等不及了。

       1915年,是爱因斯坦在探索广义相对论的道路上富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文,不用任何特殊假设就成功解 释了水星在近日点的运动:每100年大约转43″。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近时弯曲的错误数值0.83″,新结果比原先大1倍即 1.7″。当年11月,爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文《广义相对论的基础》,该文发表于1916年的德国《物理学杂志》上。在这篇论文 中,他终于得到了正确的引力方程式。从此,他暂时结束了从1907年以来对广义相对论所进行的艰苦卓绝的探索。

      现在介绍一下广义相对论。

      要了解广义相对论,必须先从牛顿力学谈起。运动三定律和万有引力定律是牛顿力学的两大支柱,狭义相对论已经对运动三定律做了改造,而万有引力定律却还是原封未动。可是,万有引力定律与相对论之间是有矛盾的。

       任何两个物体,大到天体,小到尘埃,不管它们相距有多远,彼此之间都有吸引力。地球和太阳相距1.5亿多公里,茫茫太空,没有任何传递的媒介,引力是怎 样传递到地球上来的?光从太阳传递到地球上还需要8分多钟,而引力的传递却连一秒钟也不要。对于这种超距即时作用的万有引力,实在令人感到难以理解。

      引力到底是怎样产生的?广义相对论就要来解开这个谜。

      在狭义相对论中,光速是速度的极限,没有任何东西的速度能够超过光速,力的传递速度当然也不能例外。可是根据万有引力定律,我们在地球上进行任何活动,月球的引力都将立即随之而起变化,这样,信号的传递速度是无穷大的。这和相对论是矛盾的。

      既然引力定律和相对论有矛盾,那就一定是引力定律有什么地方不对头。在爱因斯坦的观念里,就是这么简单。因此爱因斯坦想到要来重建一个全新的,和相对论协调一致的引力理论。这是建立广义相对论的目的之一。

       狭义相对论的两条基本原理之一,相对性原理说:在两个相互做匀速直线运动的参照系中,一切物理定律都是相同的。为什么一定要是相互做匀速直线运动呢?相 互做加速运动行不行呢?在建立狭义相对论以后,爱因斯坦一直在想这个问题。他想,自然界为什么要给匀速直线运动以一种特殊优越的地位呢?为什么要给惯性系 以一种特殊优越的地位呢?他认为,大自然是统一的、和谐的、简单的,不应该优待某一类参照系,歧视某一类参照系,所有的运动都是相对的,所有的参照系都具 有平等的权利。在每一个参照系中物理定律都应该成立,而且应该具有某种相同的形式,不论它是惯性系还是非惯性系。现在,非惯性系中的物理定律和惯性系中不 同,有的干脆不成立,爱因斯坦认为那是因为表示物理定律的方法不好。如果用更好的方法来表示物理定律,那么,物理定律就应该在所有的参照系中都成立,而且 具有某种相同的形式。这就是广义相对性原理,又称广义协变原理。它的严格表述式是:客观的真实的物理定律在任意坐标变换下形式不变——广义协变。它是狭义 相对论中的“相对性原理”的推广。

      使所有的参照系都平权,把相对论从惯性系中推广到非惯性系中,这是建立广义相对论的又一个目的。

      物体的质量具有两重性质,它具有惯性,同时产生引力。我们分别把它们称做惯性质量和引力质量。惯性质量出现在牛顿力学第二定律中:

      力=惯性质量×加速度

      引力质量出现在牛顿的万有引力定律中:

      力=引力质量×引力场强度

      在牛顿力学中,惯性质量与引力质量之间并没有内在的联系,可是却又巧得很,二者偏偏完全相等。在牛顿力学的时代,谁也不会去怀疑这二者是相等的,惯性质量和引力质量不加区别,统称为质量。

       爱因斯坦想,惯性质量和引力质量之间,如果没有某种内在的联系,为什么会那么精确地相等呢?人们手里拿着一块石子,松手就往下掉,做匀加速直线运动。在 这里地球吸引石子,是在召唤石子的引力质量,石子的落体运动。却是以惯性质量来回答。二者之间一定有着某种内在的联系,必然会包含着某种深刻的道理。爱因 斯坦穷追到底,终于发现,这内在的深刻的道理就是:“等效原理”。现在我们不去讲述爱因斯坦得到等效原理的繁琐的实验和推理过程,只讲一讲等效原理的本 身,什么是等效原理呢?

      相等于惯性系做加速运动的参照系是非惯性系,但是它和惯性系平权。不能站在惯性系的立场上否定加速系中切切实实感觉得到的惯性力。惯性力是存在的,加速系中物体受到惯性力的作用:

      惯性力=惯性质量×加速度

      同一个物体,在引力场中受到引力的作用:

      引力=引力质量×引力场强度

       因为惯性质量等于引力质量,只要加速系的加速度等于引力场强度,惯性力就等于引力,所以加速系的惯性力场等效于引力场。这就是等效原理。根据等效原理, 密闭实验室里的人,根本不可能区分引力场的作用和加速运动,根本不可能弄清楚自己是在加速实验室中还是在引力实验室中。对等效原理一般的表述为:惯性力场 与重力场的动力学效应是局部不可分辨的。这是等效原理的弱形式。如果将“动力学效应”换为“任何物理效应”,就是等效原理的强形式。

       有了等效原理和广义相对性原理这两个基本原理,爱因斯坦就又可以着手建立他的广义相对论了。这和他在相对性原理和光速不变原理这两个基本原理的基础上建立 狭义相对论的情况完全相同。整个建立相对论的过程也十分相像:从经过实验验证的基本原理出发,大胆突破旧的物理概念的框框,引进全新的物理概念,经过复杂 的数学推导和运算,最后得到需要的结果。这就是爱因斯坦建立两个相对论的工作方法。相对论的结果,几乎每一个看起来都十分荒诞,但是从相对论中能推导出一 个又一个经得起实验验证的结果,能推导出牛顿力学,但它又能给出牛顿力学中没有的东西。用数学名词来说,牛顿力学是相对论的一级近似。

       爱因斯坦建立狭义相对论是从讨论“同时性”突破的。那么他建立广义相对论又是以什么作为突破口呢?那就是“等效原理”。从惯性质量等于引力质量,到惯性 力等价于引力,到加速参照系等价于静止在引力场中的参照系,这是多么大胆、多么富有想象力的一步!然而从等效原理到建立起完整的广义相对论,还有更艰苦的 路程要走。在建立狭义相对论过程中,从解决同时性问题到写成《论动体的电动力学》。爱因斯坦只用了五个星期的时间。可是,从1907年建立等效原理到 1915年建立引力场方程,引出空间时间的弯曲,最终写成广义相对论,却用了整整八年时间(正式发表是在1916年)。

      根据等效原 理,引力场的每一点附近局部地等价于一个惯性力场,也就是等价于一个相对于惯性系做加速运动的非惯性系,但惯性系与非惯性系之间是可以通过坐标变换变过来 变过去的。这样,不存在引力的惯性系和局部等价于引力场的非惯性系之间的不同,只有空间时间结构的某种不同。既然引力场的每一点附近都归结为一个非惯性 系,整个引力场也就十分自然地归结为空间时间的某种内在结构,也就是空间时间的弯曲了。

      从牛顿力学出发,承认牛顿的引力,得到等效原理,然后又根据等效原理,把引力场归结为空间时间的弯曲,从而取消牛顿的引力,改造牛顿力学,这就是爱因斯坦以等效原理为突破口,建立广义相对论,把引力场当做空间时间内在结构来处理的基本思想。

      现在再来看看,从等效原理是怎样引出空间时间的弯曲的。

       先来做一个实验:将一束水平方向的光线射进一个惯性实验室。根据狭义相对论,光在惯性系中将以不变的光速做直线运动。现在实验室向上加速,成了加速实验 室。它就相当于爱因斯坦在构思相对论过程中经常思考的电梯实验中的电梯。1913年爱因斯坦和居里夫人在阿尔卑斯山上谈话时,就向居里夫人讲述过这个实 验,现在物理学界已经把这个著名的电梯称做“爱因斯坦电梯”。这束光在原来的惯性系中是水平向前运动的,现在对于加速系来说,它的运动必然要向下弯曲。根 据等效原理,加速实验室等价于引力实验室,因此这束光要是射进引力场,它也会向下弯曲。人们从来就知道光是沿着直线传播的,现在爱因斯坦却向全世界宣布: 在引力场中,光线是弯曲的。

      再做一个实验:一个人在惯性实验室里向斜上方抛出一个小球,抛出以后小球不再受力,它遵从惯性定律做匀速直线运动。现在实验室向上加速,成了加速实验室,他再向斜上方抛出一个小球,小球将怎样运动呢?显然小球将做抛体运动。

      同样,根据等效原理,在引力实验室里情况也将是如此。

      对于这三个实验室里进行的实验,牛顿力学是这样解释的:

      一、惯性实验室是惯性系,它是好的参照系,在这里惯性定律成立,抛出的小球做匀速直线运动。

      二、加速实验室是非惯性系,它是不好的参照系,在这里惯性定律不成立,小球不服从惯性定律,不做匀速直线运动而做抛体运动。

      三、在引力实验室里,小球因为受到了引力的作用,做抛体运动。

      在三个实验室里做完全相同的实验,却得到了三种完全不同的解释。

      对于这三个实验室里进行的实验,爱因斯坦的相对论又是怎样解释的呢?

       相对论认为:惯性定律应该适用于一切参照系,不论它是惯性系还是非惯性系。因为引力场中每一点的附近都局部地等价于一个加速系,所以惯性定律在引力场中 也同样适用。在三个实验室中,惯性定律全部应该成立。在这三种情况下,小球都没有受到外力的作用。惯性实验室中的匀速直线运动和加速实验室、引力实验室中 的抛体运动,本质上是相同的,都应该服从同一个惯性定律。那么怎样才能满足这个要求呢?爱因斯坦提出了两点:

      第一点,四度空时是弯曲的,曲率由物质的分布决定。在这里,牛顿所说的物质产生引力变成了物质引起空间与时间的弯曲,也就从根本上取消了引力。

      第二点,牛顿的惯性定律修改为“不受外力作用的时候”,质点的运动在四度空时中的轨迹是一条“短程线”。这样一来,惯性定律就在这三个实验室里都成立了。

      这里要解释一下什么是“短程线”?两点之间可以做无数条连线,最短的那条线就是短程线。

       平面几何里就有这条最基本的概念:“两点之间直线最短”。这里为什么不直接把短程线叫做直线呢?不行,因为它只是平面几何的概念,在相对论里讨论的是空 间曲面,而在球面上,最短连线就不再是直线,而是大圆弧了。在广义相对论中,引力场方程的基本思想就来自第一点,运动方程的基本思想就来自第二点。 1939年,爱因斯坦又直接从引力场方程推出了运动方程,这样,第二点就不再必要了。

      在平面上,任何一个方向的运动都可以分解为平直 两个垂直方向的运动,因此它是一个二度空间。球面也是一个二度空间,它是弯曲的二度空间。我们生活的世界是一个三度空间,所以我们能够从外部观察到二度的 平直空间是如何弯曲成二度的弯曲空间的:能够观察到平面上的短程线——直线是如何弯曲成球面上的短程线螺线的。但是,生活在三度空间里的我们,就难以直观 地想象出三度空间的弯曲,也难以直观地想象出弯曲的三度空间里,两点之间有一条最短的曲线短程线。如果三度空间再加上一维时间,构成四度空时,对于四度空 时的弯曲,我们当然就更难直观地想象出来。但是我们可以通过物理测量来测定三度空间和四度空时究竟是不是弯曲的?弯曲到什么程度?也可以用数学的方法来描 述弯曲的三度空间和弯曲的四度空时,就像可以用数学方法来描述弯曲的二度空间——曲面一样。有了一些对于空时的弯曲和短程线的概念之后,就可以来进一步了 解爱因斯坦对于惯性实验室等三个实验室里小球的运动所做的统一解释了。在惯性实验室中,空间时间是平直的,所以小球做匀速直线运动;在加速实验室和引力实 验室中,空间时间发生了弯曲,所以小球做抛体运动。匀速直线运动在平直四度空时中的轨迹是短程线;抛体运动在弯曲四度空时中的轨迹也是短程线。这样,在三 个实验中,小球都没有受到外力的作用,都服从惯性定律做惯性运动。三个实验室完全平等了,引力消失了,物理定律在三个实验室中具备了相同的形式,所不同的 只是空间时间的结构。空间时间结构的变化,在加速实验室中是运动引起的,在引力实验室中却是物质引起的。

      空间、时间、物质、运动都统一起来了。

      引力理论中根本没有引力这个东西,引力场不过是空时的弯曲!

      这个观点,对于长期生活在牛顿经典力学影响下的人们来说,确实有些难以接受。

       以地球围绕着太阳转动为例,在牛顿看来,这是由于太阳对于地球的引力造成的;在爱因斯坦看来,引力这种神秘的东西是根本不存在的,地球绕太阳转动,是因 为太阳巨大的质量,使太阳周围的空时发生了弯曲。弯曲的四度空时中只有曲线,没有直线,地球不可能沿着四度空时的直线做匀速直线运动,它只能沿着最“直” (也就是最短)的一条曲线——短程线做转动。

      空间时间的弯曲,实在是有点玄奥,岂止是一般的读者,就连一些大物理学家也被它搞糊涂了。

      爱因斯坦把生活在三度空间的地球上的人带进了四度空时的浩渺无穷的宇宙。要三度空间的人去思考四度空时的问题需要极大极大的想象力。

       对这个问题,爱因斯坦曾经打过一个比方:一只压扁了的生活在二度空间的一张纸上的臭虫,它面前的这张纸就是它的整个宇宙,只有平面,只有长度和宽度。如 果有人对它讲讲三度空间里的事,什么立体,什么高度,它会觉得简直是天方夜谭。这也就是爱因斯坦另外一句名言的意思:一只在地球仪上爬行的甲虫,它不知道 自己脚下的地面是弯曲的。如同这只甲虫一样,我们这些生活在三度空间的人,叫我们去想象四度空时里的事,也同样会感到很困难。这没有什么值得奇怪的。于是 有人也许会问:既然四度空时的图像是三度空间的人很难想像的,而且几乎是无法验证的,那么我们又怎么能知道爱因斯坦想出的这些理论是不是正确呢?

      事情的确是这样,爱因斯坦的理论有些确实是无法去验证的。但是,根据他的理论推导出来的一些结论有时却是可以验证的。这同样也可以证明他的理论是正确的。

       对于狭义相对论的验证,就够困难的了,广义相对论讨论的问题要深奥得多,验证起来当然也就更加困难。但是爱因斯坦还是为它找到了一个最有说服力的验证办 法,用日全食时观测经过太阳旁边的星光是否真的会弯曲和它的弯曲度是多少,来验证广义相对论的光弯曲现象和宇宙弯曲理论。

      恒星光谱线的引力位移,是爱因斯坦在星光位于太阳附近会发生偏转的预言之外,做出的另一个可以验证广义相对论的科学预言。在高温下,每一种气态的化学元素都会辐射出几种一定频率的光线。通过对恒星发出的光线进行光谱分析,就可以知道恒星上有什么元素存在。

       根据广义相对论,引力场会使时钟变慢,因此在原子中,电子的振荡频率变低,辐射出的光线的频率也随之变低。所以,引力场很强的恒星发出的光谱线,应该向 低频端也就是红端移动。这个预言提出后,立即受到了天文学家的注意。果然,在1924年,第一次在观测中发现了引力红移现象。1959年在观测太阳的光谱 中、1971年在观测一颗密度很大的白矮星的光谱中,又都进一步证明了引力红移。

      广义相对论原理发表后,爱因斯坦又去研究更新更难的问题了,少年时代的独立沉思又一次出现。不过,现在爱因斯坦是面对浩瀚的星空发问:根据广义相对论,宇宙应该是什么样呢?

      爱因斯坦分析了无限宇宙模型,根据广义相对论时空弯曲的概念,提出了自己的宇宙模型。他的论文出现在1917年的《普鲁士科学院会议报告》上,论文的题目是《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。

      在这篇论文中,爱因斯坦提出了一个有限无边的静态宇宙模型。“宇宙有限”这几个字渐渐传到牧师、神父们的耳朵里。他们的耳朵竖起来了,而且竖得很长。“什么?宇宙有限?嗯——好极了!”他们满意地笑了。

      罗马教廷的天主哲学家发表了长篇大论,对爱因斯坦大加恭维,仿佛有限宇宙之外就必有一个天堂,这样,他们的上帝就有适当的住处了。

       对于这一类上帝的代言人,有什么好说的呢?他们曾经把布鲁诺活活烧死,把伽利略关进监狱,只是因为他们宣传科学的真理——哥白尼的日心地动说。而当哥白 尼的学说经过艰苦斗争,获得胜利之后,这些神学家们又摇身一变,说什么哥白尼的学说并不和《圣经》矛盾,反而给上帝开天辟地、创造日月星辰提供了科学依 据。对于宗教界这些荒谬的说法,爱因斯坦从来都抱着一种冷漠的态度。

      遗憾的是,有些唯物主义阵营里的人,不断地攻击爱因斯坦的“唯心主义”,特别是在宇宙有限这个问题上。

      但是说来也怪,他们提出的问题同神学家们同样浅薄:“在有限宇宙之外是什么?”他们给出的答案也和神学家们一样武断:“上帝。”

       这些唯物主义者给宇宙有限论贴上了一条标签——“唯心主义”。谁说宇宙有限,谁就犯下了唯心主义的弥天大罪。也许他们太性急了,还没有弄懂爱因斯坦的宇 宙有限论是什么意思,就根据现成的公式:“宇宙无限=唯物主义”,“宇宙有限=唯心主义”,赶紧提笔上阵,对宇宙有限论展开了批判。其实,他们都没有弄清 什么叫宇宙有限。

      爱因斯坦的宇宙模型有三个重要概念:

      第一个概念是“静态”。他提出了一个所谓的“宇宙学原理”。这个原理是说,宇宙间的物质均匀分布,无论从宇宙的随便什么地方观看宇宙,所看到的宇宙图像是相同的,就像站在地面上观看球面,不论站在哪一点,看到的球面都是一样的。

      这不同于在月球上看地球,也不同于在地球上看月球的结果。

      宇宙学是从大处着眼,研究整个宇宙结构,它所使用的宇宙观尺度比太阳系大得多。小范围里的不均匀,并不妨碍大范围里的均匀。

       譬如地球表面,有的地方是崇山峻岭,有的地方是旷野平川,各个地点的海拔高度是不均匀的。但是如果在人造地球卫星上远远地观看地球的整体结构,那么各地 海拔高度的差异就微乎其微了,地球就是一个相当均匀的球,严格地说,应是椭圆球。爱因斯坦的静态宇宙模型进一步假定:宇宙空间中的物质不但是均匀分布的, 而且还是静止不动的,读者可能又要反对说:“月亮绕着地球转动,地球绕着太阳转动,宇宙间的一切物质都在运动,怎么能说是静止的呢?”

       这又是从太阳系的小范围来考虑了。用太阳系的小尺度衡量是运动的,用宇宙观的大尺度衡量就是静止的了。就像站在海边观看大海,以米作为衡量的尺度,那么 海水是大浪滔滔,做着激烈的运动。但是如果在人造地球卫星上观看,以公里或更大的距离作为衡量的尺度,那么海水就是静止的了。总之,爱因斯坦认为,宇宙的 总的图像就像从卫星上观看地球一样,大体上是均匀、静止不动的。你看,那些恒星不是像宝石一般镶嵌在深邃的夜空中,彼此之间的位置不是几乎从不变动吗?

      第二个概念是“有限”。

      对这个概念的反对意见最为激烈:“难道说我们的宇宙四周围着巨墙,墙上写着一行巨字:‘嗨!宇宙有限,墙外天国,人类止步!’吗?”

       对待这些意见,爱因斯坦的宇宙模型中还有第三个概念。这第三个概念就是“无边”。爱因斯坦的宇宙虽然有限,却又是无边的。圆圆浑浑,没有边界,所以也就 没有边界内外之分。和无限宇宙一样,有限宇宙也是可以没有“内外”的。无限宇宙排除了天国和上帝之类的东西,有限宇宙也不给它们容身之地。爱因斯坦的静 态、有限、无边的宇宙模型和牛顿式的无限宇宙模型一样,都是人类认识宇宙过程的重要里程碑。它们都是把一定数量的观测事实做了某种外推之后得到的。结论虽 然可能有错误,研究的态度和方法却是科学的。事实上,爱因斯坦提出他的宇宙模型之后过了12年,天文学上有了一次重大的突破——美国天文学家哈勃发现,所 有的星系,彼此之间的距离都在不断地增大。恒星不“恒”,我们看不到它们的分离运动,因为距离我们太远了。宇宙就像一个受热的肥皂泡,在不停地膨胀。星系 就像肥皂泡上的各个点,它们彼此之间的距离也在不停地增大。宇宙不是静止的,宇宙在膨胀!哈勃利用大口径望远镜得到这个重要发现后,爱因斯坦这位公认的最 伟大的物理学家,非常坦然地承认自己的宇宙模型是错误的。

      为什么不承认呢?难道最伟大的物理学家就不犯错误了吗?为了从广义相对论中解释出他的静态、有限、无边的宇宙模型,爱因斯坦甚至修改了自己心爱的引力场方程,在方程中增加了具有斥力性质的一项,叫做宇宙项。有人把引入宇宙项这件事,称为爱因斯坦平生的最大错误。

       爱因斯坦犯了一个大错误,提出了一个错误的宇宙模型,后果却是诞生了一门新的科学——现代宇宙学。奇怪吗?不,历史上有不少这样的事情。哥白尼的日心地 动说揭开了近代天文学的序幕,但是他的不朽巨著《天体运动论》中说行星绕着太阳做圆周运动是不对的,行星运动的轨迹应该是椭圆的。

      研 究宇宙的整体结构,以前没有适当的理论指导,从爱因斯坦开始,才有了强有力的理论做指导,那就是广义相对沦。随着观测手段的不断发展和完善,更促使现代宇 宙学蓬勃发展起来。在爱因斯坦提出自己的宇宙模型之后,又有别的学者提出了其他的宇宙学理论:从宇宙膨胀论到宇宙大爆炸论,从等级式宇宙论到物质反物质宇 宙论,名目繁多,立论各异,众说纷纭,争论激烈。一门科学产生出各种各样的假设和理论,引起了激烈的争论,不正说明它有光辉灿烂的发展前途吗?从遥远的文 明开端算起,人类研究宇宙的渴望终在爱因斯坦这里找到了一个新的科学起点。

      在20年代初,爱因斯坦已经享有任何一位学者都未曾获得过的盛誉。1919年日全食的观测结果证实了广义相对论之后,爱因斯坦的声誉空前增长。他的学生和助手英费尔德曾发表过一些有趣且有一定道理的看法:

       “这件事是在第一次世界大战结束时发生的。人们厌恶战争、屠杀和国际阴谋。战壕、炸弹、屠杀留下了悲惨的余悸。谈论战争的书籍没有销路和读者,每一个人 都在期待一个和平的时代并想把战争遗忘。而这种现象能把人类的幻想完全吸引住。人们的视线从布满坟墓的地面转移到满天星斗的天空。抽象的思想把人们从日常 生活的不幸引向远方。日食的神秘和人类理性的力量、罗曼蒂克的场景、几分钟的黑暗,之后是弯曲光线的画面——这一切和痛苦难熬的现实是多么不同啊!”

      爱因斯坦瞬间成为公众偶像的原因很多,但直接的原因是通过对日全食的观测,证实了光线在太阳引力场中发生弯曲。

      一直到1919年5月,两支英国远征队才获得第一批有用途的照片。而这一重要的观察成就很大程度上归功于爱丁顿。

      爱丁顿经过反复计算、核对,排除一切误差、干扰,最后他完全有把握了:日全食的观测,精确地证实了爱因斯坦的广义相对论。

       1919年11月6日下午。皇家学会和皇家天文学会在伦敦举行联席会议,听取两个日食观测的正式报告。会议厅里济济一堂,英国科学界的泰斗们都在这里 了,会场就像一幕古希腊的戏剧那样庄重。这些教授各个都压低了嗓门说话,仿佛连空气都感染了一种焦急的期待心情。观测的结果虽然早就从各种渠道泄露出去, 可是这件事实在太重大了,所以正式宣布的时刻,就具有了重大的历史意义。

      皇家学会会长、电子的发现者汤姆逊教授在全场肃穆中起立致词。他的背后挂着一幅巨大的牛顿像,这位巨人曾经连续24年任皇家学会会长。现在正俯视着自己的后继者。

      汤姆逊说:“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一——也许是最伟大的成就……这不是发现一个孤岛,而是发现了新的科学思想的新大陆。”

      接着,皇家天文官代逊代表两位观测队长宣读观测报告。他讲道:“日食观测的数据和爱因斯坦预言的1′74″十分吻合;空间是弯曲的,爱因斯坦的新的引力理论是正确的;牛顿为我们勾画的宇宙图像应该改变了……”
  • (责任编辑:中国历史网)

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