时间也是相对的。不存在什么绝对的过去、现在和将来。例如,我们今晚观察到距我们一光年的某星球发生了类似爆炸的情况,变得特别明亮,实际上此现象不是现在(今晚)而是一年以前发生的。只不过爆炸时产生的光经过一年时间才到达地球,被我们观察到。同样,如果有人在距我们2000多光年的星球上观察地球,他所看到的,也许是凯撒征战高卢的滚滚浓烟,或是秦王朝阿房宫被焚的熊熊烈火。假设一个人能以比光还快的速度运动,他就可以看到自己的过去,甚至生活在恐龙统治地球的远古时代。因此,我们星球上的今天,也许是另一星球上的昨天,或者也许是第三颗星球上的明天。
以上这些,就是狭义相对论的时空观。
爱因斯坦在发表了狭义相对论不久,便发现这种理论应用范围有限,它只适用于沿直线匀速运动的物体,而不适用于加速运动的物体。在我们日常生活中,人们经常会体验到加速运动与匀速运动之间的差别。当我们坐在平稳行驶匀速运动的列车上时,我们如同静坐在房间里,若不是看见车窗外纷纷后退的景物,我们几乎感觉不到车辆在前进。这是匀速运动产生的效果。可是当行进中的车辆突然减速或煞车,我们会向前倾斜;而静止的车辆突然开动或行进中的车辆突然加速,我们的身体又会向后仰。这种现象称为惯性。
惯性力量的大小与运动速度的改变量有关,高速行驶的轿车突然急刹车,有可能将坐在前排的乘客撞死。这就是说,惯性力的大小与施加于物体的加速度有关。无论在什么地方也无论何种原因,只要将物体产生相同的加速度,那么它相应产生的惯性力也是相同的。一个物体如果放在地球的引力场时,它由高处下落的加速度为9.8米/秒?;假如有人将携带该物在地球引力场之外的空间里,在以9.8米/秒?的加速度飞行过程中,突然将该物脱手放出,那么此物所产生的惯性力与在地球引力场中所产生的惯性力是完全相同的。爱因斯坦的广义相对论就是他将狭义相对论从匀速运动扩展到加速运动所取得的成果。
1909年,爱因斯坦离开了专利局,先在居里希大学工作不长时间,随后又应聘到普赖克大学工作。不久,他又回到居里希理工学院工作,使他在广义相对论研究方面进入了一个新的时期。
当时,他虽然发表了许多关于广义相对论思想方面的文章,但是,他还没有完成这种理论的最后表达形式。他在大学时代的好友格罗斯曼是优秀的数学专家,在他的悉心的指导下,爱因斯坦学习并深入研究了对广义相对论极为有用的张量分析。这是为寻找广义相对论的完美的数学表达形式而艰辛探索的时期,他终日苦思焦虑,要从大量的方程式中选择一个正确的,令人遗憾的是,一个正确的方程式从他的鼻子尖下溜走了,以致使他犯了个抛弃协变性原理的错误。
1926年的某一天,爱因斯坦夫妇在与朋友们共进晚餐时,爱因斯坦的夫人悄悄地向友人讲述了丈夫在某个早晨彻底揭开相对论疑谜时的情景。她说:
“博士(指爱因斯坦)像平时一样,穿着睡袍下楼用早餐,但他几乎什么也没有碰。我想,出什么事了,所以我问他,什么事使他不安。‘亲爱的,’他说,‘我有一种绝妙的想法”。
喝完咖啡之后,他走到钢琴那儿开始弹起来,间或停下来,做点笔记。然后,他报告说:“我得到一个奇妙的想法,一个绝妙的想法。”
我说:“那么,看在老天爷的份上,告诉我是什么想法吧,别叫我挂虑了。”他说:“很困难,我得继续把它完成。”
接着,爱因斯坦继续弹着琴和做笔记,约持续了半小时。然后,他就上楼到他的研究室去了,并且告诉我,不要去打扰他。他呆在那里干了两周,每天我都给他送饭。黄昏时分,他会踱着步子做点锻炼,再回去工作。
最后,有一天他从研究室走下楼来,脸色苍白。
“就是它。”他一边对着我说,一边疲倦地将两张手稿纸往桌上一放“这,就是他的相对理论”。
爱因斯坦由于在科学上的杰出的成就,使他成为举世闻名的不朽的科学家,世人凭照片便可一眼认出他来。可是他在众目睽睽的场面总是显得很慌乱。即使这样,他还得摆出各种姿态让摄影师、艺术家和雕刻家们拍照。
有一次一个陌生人问他以何为生时,他回答说:
“我是艺术家的模特儿。”
爱因斯坦潜心研究的不是一般性的问题,甚至也不是常规性的问题,而是超常规的特殊性问题。证明他的学术思想正确与否的实验场所,不是一般尺寸的实验室,而是浩瀚无际的天体。正因为如此,他工作常被人误解。
相对论产生了强大的冲击波,它震撼了物理学界,也扰乱了哲学界。它向物理学输入了新的原理,使人们对世界形象的认识深入到一个新的层次,它为哲学提供了新的认识论和方法论,使哲学界耳目一新。考察爱因斯坦在物理学和哲学领域的发迹,使人想起了难忘的1905年。在这一年里,物理学上空升起了一颗璀璨的明星,伯尔尼专利局的小职员爱因斯坦发表了几篇不同凡响的论文,其中有4篇成为物理发展的新标志。
1905年,我们应当称之为爱因斯坦的幸运年,这一年他发表了5篇科学论文,这是他的新世界观的基础,它们将使人类的思想发生革命。对于人类历史,1905年在伯尔尼,其意义决不亚于1879年,那一年爱迪生以如下的话宣布电灯泡和电灯的发明:
“灯泡里的空气抽空,灯泡密封好,接上电流,我们的眼睛就可以看到我们久已盼望的光芒。”
马克斯·玻恩(M·Bom)在《爱因斯坦的统计理论》一文的开头写道:
“照我看来,全部科学文献当中最卓越的卷册,要数1905年《物理学杂志》第17卷了。这一卷里有爱因斯坦的三篇论文,其中每篇论及一个不同的主题,并且每篇现在都被公认是杰作,是物理学一个新分支的起源。按前后次序,这三篇论文的主题是光子理论、布朗运动理论和相对论。”
这三个理论分别以不同的方式改变了人们关于物理世界的看法,在物理学领域对以往的相应的时空观念发生革命性的转变。因此,1905年是新时代物理学的一个开端。
另外,爱因斯坦还指出,物质和能量有着十分密切的关系,他还运用一个公式可计算出隐藏在任何一块物质中的能量:
E=mc2
E表示能量,m表示质量,c表示光速。
整个公式的意思是,物质中的能量,等于物质的质量或重量乘上光速的平方。这是个惊人的公式。科学家们又把这个公式运用到两项令人震惊的发展上:
第一,这个公式揭示了太阳的秘密。
第二,科学家们学会如何把铀原子转变成能量,制造了原子弹,在广岛上空引爆。
1905年,这一年,他发表的5篇科学论文,为他崭新的世界观奠定了基础。
1905年,在阐述狭义相对论的文章即将发表时,爱因斯坦完成了贡献给分子运动的古典理论的一系列工作。他在《物理学杂志》上发表的总结性文章,回答了显微镜下观察到的悬浮在液体中的微小物体的运动——所谓布朗运动的性质问题。
布朗运动理论打破了宏观规律不依赖于动力学模式的幻想。爱因斯坦论述了布朗运动定律及关于热和分子运动学说中的其它发现。在爱因斯坦1905年提出的光量子或光子思想中,重审“古典理想”的要求,比在相对论中要鲜明得多。
爱因斯坦在1905年提出了一种理论,光不仅仅被辐射和被吸收,而且光还是由间断的、不能再分割的光量子组成。光的量子是粒子,它们在真空中以每秒30万公里的速度运动。后来,这些粒子获得了光子的名称。
光的波动性与微粒性的这种奇异结合,在爱因斯坦的科学思想中具有代表性。爱因斯坦一刻也不怀疑光实际上具有波动的和微粒的特性。他不想回避悖论,这一悖论推翻了不具有波动特性的古典粒子观念和古典波动观念。
他在《物理学杂志》上刊登了论光量子的文章,还刊登了相对论的第一篇说明,其中叙说了也许是更为反常的情况,光都是以同一速度传播的。
广义相对论的验证
1908~1909年冬季,爱因斯坦仍在专利局工作并兼任编外副教授。1909年夏天,他第一次获得学术荣誉——日内瓦大学授与名誉博士称号。
1910年底,在欧洲最古老的大学之一——布拉格大学理论物理学编内教授职位现空缺。爱因斯坦终于同意了,并从1911年秋季开始了布拉格任教。
在苏黎世工大,1912~1913年冬季,爱因斯坦讲授过的程有:解析力学、热力学;1913年夏季有:连续介质力学、热的动力学理论:1913~1914年:电和磁、几何光学。此外,他还主持每周一两次的物理学讨论课。
在狭义相对论问世以后,爱因斯坦活动的内在的主流及其生括的基本内容,就是探索更广泛的理论。
爱因斯担第一次考虑广义相对论是在1907年。这年约翰·斯塔克要爱因斯坦为《放射性年鉴》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,而唯独引力定律不行。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作了明确的阐述,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模式架内得到解决,于是爱因斯坦作了进一步的思考,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4卷的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中。
1911年6月,爱因斯坦在《关于引力对光传播的影响》一文中进一步阐明了光在引力场中弯曲的必然性。
爱因斯坦预言,光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转,对木星来说,是这个值的1/100,他迫切希望天文学家能作出检验。爱国斯坦在该文中还明确提出了惯性质量与引力质量等同,即惯性质量与引力质量具有同一性这个概念,这是等效原理的一个很自然的结论。他想把这一概念安插到一个更为一般的结构中去,但没有完全取得成功。因为这时他还没有放弃牛顿的引力理论,只是在它上面添加了一些个别的新原理,拼凑起一个正确与错误的混合物,以致虽然很接近问题的答案,但毕竟还不是。
1912年他回到苏黎世,问题才解决,他的朋友数学家格罗斯曼帮助了他。爱因斯坦在伯尔尼专利局工作时,难于看到数学论文,格罗斯曼就曾经帮助过他,向他提供过不少数学文献资料。这次,格罗斯曼与爱因斯坦多次长谈,并把爱因斯坦引进了数学方法的园地。
就这样,爱因斯坦经过艰苦的摸索和无数辛劳,终于在1913年和格罗斯曼完成了《广义相对论和引力理论纲要》的论文。其中物理部分由爱因斯坦执笔,数学部分由格罗斯曼执笔。广义相对论的大门终于打开了。
不过,他所得到的引力场方程和引力场存在时的电磁场运动方程还是不完整的。
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。他在这个会议上作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″。这年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。
根据广义相对论,现实的有物质存在的空间不是平直的欧几里得空间,而是弯曲的黎曼空间。空间弯曲的程度取决于物质的质量及其分布状况,空间曲率体现了引力场的强度,引力只不过是空间弯曲的效应,它是一种假想的力。从广义相对论的观点看来,地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量使太阳周围的空间发生弯曲,使地球走着一条弯曲的轨道,并不是因为存在什么神秘的超距作用的引力。光线的弯曲即说明了空间的弯曲,因为光线就是空间的短程线。
广义相对论的验证在当时有三个。一个是水星近日点的运动。1859年,法国天文学家勒维烈发现水星近日点绕太阳运动的速度和牛顿力学估计的每百年差43″。勒维烈曾把这一误差解释为存在一颗“火神星”,由于“火神星”的影响造成的。许多天文学家试图发现这颗所谓的“火神星”,但都以失败而告终。43″的差异成了一个不解之谜。而广义相对论创立后,这个谜得到了合理的解释。根据广义相对论的计算,水星近日点本来就应当有43″的运动,根本不存在什么火神星。