高一物理學(xué)習(xí)方法：相對(duì)論的發(fā)展進(jìn)程

　　誰(shuí)是20世紀(jì)最偉大的人？美國(guó)《時(shí)代》周刊通過(guò)數(shù)百位當(dāng)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(guó)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(zhēng)議的20世紀(jì)最偉大的人。

　　史蒂芬·霍金教授，是當(dāng)今世界最著名的物理學(xué)家，黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人，著名的《時(shí)間簡(jiǎn)史》的作者。現(xiàn)任劍橋大學(xué)數(shù)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?duì)I，曾獲英國(guó)牛津大學(xué)物理研究所特殊頒證的物理學(xué)家，現(xiàn)任休斯頓大學(xué)研究員；張嵐，現(xiàn)為休斯頓大學(xué)材料科學(xué)博士生，美國(guó)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(bào)介紹給讀者。文章告訴我們相對(duì)論是怎樣的？它是如何描述世界的？為什么說(shuō)相對(duì)論改變了整個(gè)世界？請(qǐng)欣賞這篇不可多得的出自當(dāng)今世界最著名的物理學(xué)家之手的關(guān)于相對(duì)論的初級(jí)讀物。——編者

　　十九世紀(jì)后期，科學(xué)家相信他們對(duì)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(xù)介質(zhì)充滿了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號(hào)是“以太”中的波。

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

　　在這些實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，阿爾波特·邁克爾遜和埃迪沃德·莫里1887年在美國(guó)俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所所完成的測(cè)量，是最準(zhǔn)確細(xì)致的。他們對(duì)比兩束成直角的光線的傳播速度，由于圍著自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)，根據(jù)推理，地球應(yīng)穿行在“以太”中，因此上述成直角的兩束光線應(yīng)因地球的運(yùn)動(dòng)而測(cè)量到不同的速度，莫里發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是晝夜或冬夏都未引起兩束光線光速的不同。不論你是否運(yùn)動(dòng)，光線看起來(lái)總是以相對(duì)于你同樣的速度傳播。

　　愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·費(fèi)茲哥立德和荷蘭物理學(xué)家亨卓克·洛侖茲，最早認(rèn)為相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)方向的尺寸會(huì)收縮，而相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢。而對(duì)“以太”，費(fèi)茲哥立德和洛侖茲當(dāng)時(shí)都認(rèn)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(yuǎn)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(cè)出你是否相對(duì)于“以太”的運(yùn)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(rèn)為科學(xué)定律對(duì)所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者都應(yīng)有相同的形式，無(wú)論觀察者是如何運(yùn)動(dòng)的，他們都應(yīng)該測(cè)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(cè)量到的那個(gè)普適的時(shí)間概念，結(jié)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(duì)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(yùn)動(dòng)，他們觀察到的時(shí)間就是不同的。

　　大量的實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)的精確的時(shí)鐘，與存放在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)你的生命，你就可以乘飛機(jī)向東飛行，這樣可以疊加上地球旋轉(zhuǎn)的速度，你無(wú)論如何可以獲得那零點(diǎn)幾秒的生命延長(zhǎng)，也可以以此彌補(bǔ)因你進(jìn)食航空食品而帶來(lái)的損害。

　　愛(ài)因斯坦認(rèn)為的對(duì)所有自由運(yùn)動(dòng)的觀察者自然定律都相同這個(gè)前提，是相對(duì)論的基礎(chǔ)，這樣說(shuō)的原因是因?yàn)椋�這個(gè)前提隱含了只有相對(duì)運(yùn)動(dòng)是重要的。雖然相對(duì)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(jì)自然科學(xué)的兩個(gè)絕對(duì)化觀念：“以太”所隱含的絕對(duì)靜止和所有時(shí)鐘所測(cè)量得到的絕對(duì)或普適時(shí)間。人們不禁要問(wèn)：相對(duì)論是否隱含了任何事物都是相對(duì)的而不再會(huì)有概念上絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)了？

　　這種不安從20世紀(jì)20年代一直持續(xù)到30年代。1921年，愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，得到了諾貝爾物理獎(jiǎng)，但由于相對(duì)論的復(fù)雜及有爭(zhēng)議，諾貝爾獎(jiǎng)的授予只字未提相對(duì)論。

　　到現(xiàn)在我仍然每周收到2至3封信，告訴我愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。盡管如此，現(xiàn)在相對(duì)論被科學(xué)界完全接受，相對(duì)論的預(yù)言已經(jīng)被無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

　　相對(duì)論的一個(gè)重要結(jié)果是質(zhì)量與能量的關(guān)系。愛(ài)因斯坦的假定光速對(duì)所有的觀察者是相同的，暗示了沒(méi)有可以超過(guò)光速運(yùn)行的事物，如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應(yīng)能量，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)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?yàn)槟切枰獰o(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(jié)在他的著名的質(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(jié)論中的一個(gè)。1939年，第二次世界大戰(zhàn)正陰云密布，一組意識(shí)到裂變反應(yīng)應(yīng)用的科學(xué)家說(shuō)服愛(ài)因斯坦戰(zhàn)勝自己是和平主義者的顧忌，去給當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)富蘭克林·德拉諾·羅斯福寫(xiě)信，勸說(shuō)美國(guó)開(kāi)始核研究計(jì)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(zé)備愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能關(guān)系，但是這種責(zé)難就像因有飛機(jī)遇難折戟而責(zé)備牛頓發(fā)現(xiàn)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(duì)論與電磁理論的有關(guān)定律結(jié)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，這不但意味著你可以發(fā)送比光速傳播更快的信號(hào)（這是為相對(duì)論所不容的），而且需要絕對(duì)或普適的時(shí)間概念，這又是為相對(duì)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)他還在波恩的專利局工作，但直到1911年，愛(ài)因斯坦在德國(guó)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(shí)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(qū)分他自己對(duì)地板的壓力是由于他處在地球的重力場(chǎng)中的結(jié)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?yàn)樵诘厍蛳喾匆幻娴娜藢��?huì)被反向加速，但兩面觀察者之間的距離卻是不變的。

　　1912年在轉(zhuǎn)回瑞士蘇黎士時(shí)，愛(ài)因斯坦來(lái)了靈感，他意識(shí)到如果真實(shí)幾何中引入一些調(diào)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(jié)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，物體將趨向直線運(yùn)動(dòng)，但是，他們的徑跡看起來(lái)會(huì)被重力場(chǎng)彎曲，因?yàn)闀r(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(xí)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(rèn)識(shí)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(cuò)誤），他們當(dāng)時(shí)未能找出聯(lián)系時(shí)空彎曲的曲率與蘊(yùn)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(xù)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(zhàn)爭(zhēng)所影響。1915年11月，愛(ài)因斯坦最終發(fā)現(xiàn)了聯(lián)系時(shí)空彎曲與蘊(yùn)含其中的能量質(zhì)量的關(guān)系方程式。1915年夏天，在訪問(wèn)哥廷根大學(xué)期間，愛(ài)因斯坦曾與數(shù)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(rèn)的，這種新理論的榮譽(yù)應(yīng)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(yīng)感謝文明的德國(guó)，因?yàn)�，是在那里，在�?dāng)時(shí)的戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhàn)，編者注）所發(fā)生的事形成多么大的對(duì)比！