聊聊狭义相对论-第19章

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　　“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造，对我们来说，以太就象我们呼吸的空气一样必不可少！”J。J。汤姆逊的这句话就是那个时代最强烈的呼声。　
　　但是，我们在爱因斯坦的理论体系中，根本就找不到以太的影子，也根本不需要它的存在！　
　　如果你看过狭义相对论的论文——《论动体的电动力学》的话，你会发现，其实里面的文字和数学推导都是极其简单的，尤其是A部分，也就是运动学部分。但是，为什么当时那么多物理学家都好象是看不懂呢？　
说到底，是那种“安土重迁”、“　固守藩篱”的思想所致，这在很大程度上也是潜意识的，他们宁愿固守错误的思想，也不愿意看到自己一手创建起来的旧大厦的轰然倒塌。他们总是站在依依不舍的旧立场上看问题，自然就得出新理论存在问题的结论。　
　　然而不幸的是，历史是不会按照人的主观意识去发展的。　
　　到了今天，狭义相对论已经是家喻户晓、妇孺皆知了。　
　　相对论也获得了历史赋予它的位置——20世纪物理学支柱之一。


　回到爱因斯坦身上。　
　　1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，创造了一个奇迹年之后，依旧回到伯尔尼专利局上班。（为什么会这样？你结合上面狭义相对论刚发表时的命运思考一下就会明白了）　
　　但是，爱因斯坦还是很快遇到了知音。在这期间，他收到了普朗克的来信，信中高度赞扬了爱因斯坦的工作，还将他的工作与哥白尼的相比。可想而知，这给了爱因斯坦多大的安慰和鼓励呀！　
　　1906年，爱因斯坦被提升为专利局的二级技术员，工资也上涨了。　
　　随着时间的推移，相对论渐渐得到了越来越多人的关注和理解，其中包括法国物理学家和诺贝尔奖得主朗之万、法国物理学家和诺贝尔奖得主维恩教授、恩师闵可夫斯基……当然，这些与普朗克的支持和宣传有极大的关系。　
　　1907年，柏林大学的讲师、普朗克的助手劳厄亲自前来伯尔尼拜访了爱因斯坦。两人一见如故，相当投机。劳厄后来还出版了几部专著介绍相对论，包括1921年的《相对论》，为相对论的推广作出了很大的贡献。　
　　1907年7月6日，普朗克来信，表示希望来年可以到伯尔尼与爱因斯坦见面。　
　　1908年，在多位著名物理学家的极力推荐下，爱因斯坦受聘担任伯尔尼大学的编外讲师。至此，这位之前一直在学术殿堂外徘徊的天才终于加入了学术界这个大家庭。　
　　1909年，日内瓦大学邀请爱因斯坦出席350周年校庆庆典，并授于他荣誉博士荣衔。同年9月，爱因斯坦在德国自然科学和医生协会第81届年会上作了关于相对论的报告，并且见到了来访的普朗克，两位巨人的手紧紧握在了一起，感慨万千。10月，在教授克莱纳的不懈努力帮助下，最终战胜了委员会的种族偏见，爱因斯坦回到了母校苏黎世联邦工业大学（ETH）担任副教授。据说这是该校自建立以来首位犹太籍教授。至此，他告别了工作近9年的专利局，踏上了大学教授的生涯。　
　　荣耀和敬意如潮水一般涌来，爱因斯坦业已成为了物理学界的一颗明亮的新星。　
　　1911年，爱因斯坦收到了创建于1348年的奥匈帝国布拉格大学的正教授的聘请书，同时大学还应允为他建立一个理论物理教研室。在推荐书中，普朗克将爱因斯坦比作“20世纪的哥白尼”，这是多么合适的比喻呀！4个世纪前，人类的异端分子哥白尼揭竿而起，拉开了反对“地心说”的序幕，为人类的进步作出了伟大的贡献！而今天，人类的又一位异端分子，再一次不畏权威，推动了物理学的发展进程，这也是不可磨灭的功劳呀！　
　　1911年，第一届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。会议众星云集，来者包括了爱因斯坦、洛伦兹、庞加莱、朗之万、卢瑟福、普朗克、居里夫人……由于相对论已逐渐获得了人们的认可，也初步得到了一些实验结果的支持，爱因斯坦成为了会议一个引人注目的焦点。会议的题目是——辐射理论和量子。会议以洛伦兹的经典物理学报告开场，在爱因斯坦的量子论报告中落幕，这仿佛预示着这个物理学交接的年代！而之后的各届索尔维会议更是留下了一些号称“物理学明星队”的全家福。　
　　1912年秋天，爱因斯坦离开布拉格大学，再次返回ETH，不过这次已经是正教授的头衔了。　
　　1913年，在普朗克和能斯特（我们在前面的旅途中也遇过他，就是在那个热力学的英雄榜中，能斯特是德国著名的化学家，也是诺贝尔奖获得者）的极力邀请下，爱因斯坦成为了普鲁士皇家科学院的院士，并于翌年来到柏林。在多篇文章和多次演讲中，爱因斯坦都指出狭义相对论需要进一步发展。　
　　在狭义相对论发表后，爱因斯坦始终没有停止过对广义相对论的努力。十年磨一剑，爱因斯坦最终在1915和1916年间发表了广义相对论，对狭义相对论做了推广，提出了新的引力理论，并且得到了时空弯曲等超乎想象的概念，将物质、运动、空间和时间结合到一个逻辑整体。　
　　下面，让我们简单来了解一下广义相对论。


和狭义相对论类似，人们也将广义相对论的基础归结到两条原理——广义相对性原理和等效原理。　
　　我们前面已经说过，狭义相对论还遗留了两个问题没有解决。一是非惯性系的问题；二是引力的问题。最后，广义相对论给出了这两个问题的答案。　
　　还记得吗？在狭义相对性原理中，我们说物理定律在任何惯性系中都是相同的。　
　　这个原理其实包含了两个意思。其一，所有的惯性系在描述自然规律方面都是等效的。也就是说，无论是在哪一个惯性系，它们的物理定律都是能够准确地描述现象的。而事实上，在惯性系里面，物理定律将会是最简单的形式。　
　　其二，惯性系都是等价的。这就意味着，所有的惯性系都是一样的，不可区分的。只要你闭上眼睛，你将不清楚你究竟是在一辆静止的客车上，还是在一辆匀速直线运动的客车里面。　
　　我再强调一次，狭义相对论说的是惯性系！上面提到的都是惯性系！　
　　但是，只要你稍微细心一些，对美的领会稍微强烈一些，你必定会问：为什么呢？为什么一定要在惯性系中才可以等效的描述物理规律？　
　　为什么会存在一种如此特殊的参考系？　
　　为什么没有我非惯性系的份？　
　　再说了，放观四海，哪里不是我非惯性系的天下呢？绕日运转的地球，汹涌澎湃的巨浪，一泻千里的瀑布，忽卷忽舒的浮云，随风飘荡的落叶，活泼嬉闹的孩童……更常见的都是非惯性系呀！而惯性系则几乎没有见过！　
　　没有理由呀！相对论竟然无法描述占我们世界大部分的非惯性系！　
　　站在美学的角度上，这是绝对不可允许的，这是绝对没有道理的，这是残缺的，这是破碎的！　
　　我们的理论应该可以描述整个世界！我们应该把整个世界统一起来！　
　　所以，我们要推广狭义相对论！我们要得到一个可以描述整个世界——包括惯性系和非惯性系——的理论！　
　　而推广也不是说干就干的！我们还要细细分析一番，找到推广的方向，才会得到正确的推广内容。　
　　首先，我们应该推广狭义相对性原理，因为它毕竟只囊括了惯性系这样一个狭窄的范围。　
　　但是，是不是说直接把那个原理中的“惯性系”换成“非惯性系”就行了呢？　
　　恐怕没有这么简单吧？　
　　我们试一下，“物理定律在任何非惯性系中都是相同的”。　
　　这样一来，就会有两层类似的意义，一是所有的非惯性系在描述自然规律方面都是等效的，二是非惯性系都是等价的。　
　　很明显这是有问题的。非惯性系都是等价的？你试试看，坐过山车跟坐缓缓启动的地铁是不是一样？看你是不是不可区分？就算你闭上眼睛也没用呀！　
　　所以我们不能说非惯性系都是等价的！　
　　但是，第一层意思我们似乎可以保留！　
　　所有的非惯性系在描述自然规律方面都是等效的！如果真是这样的话，我们并不要求非惯性系都是等价的，而只不过是说在任一个非惯性系都可以一样有效地去描述我们的自然规律。细细再想一下，没有问题吧？　
不过，推广就应该把之前的东西也囊括进去，千万不要“捡了西瓜就丢了芝麻”哟！不要忘了惯性系！　
　　所以，爱因斯坦是这样推广的——　
　　所有参考系，不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表示普遍的自然界定律）都是等效的。　
　　这就是广义相对性原理。　
　　这样一来，非惯性系就被赋予了强大的能力，它们都是能够准确地描述物理现象的，不会由于非惯性系的不同，造成不能描述自然规律的事故。不管你是张三，还是李四，你坐过山车也好，地铁也罢，都是平等的！都能描述这个美妙的世界！　
　　其实，回想一下，也是很应该这样做的，不是吗？这是很自然的，很优美的，也很“人性”的！　
　　规律本来就应该这样嘛！没有王公贵族的区别！得一视同仁呀！　
　　一个好的规律，应该尽量地简单，但同时也应该尽量地囊括更多的现象。从这个角度上说，广义相对性原理的确比狭义相对性原理更上了一层楼！名副其实呀！　
　　不过，需要指出的是，其实上面广义相对性原理的表述还是不够严谨的，要想准确地去表述它，不得不用到数学。但是，对于我们这些不搞理论研究的、只求稍微理解、分享一下科学乐趣的外行人士来说，这种表述已经是足够的了。　
　　是为第一条原理。


　我们已经对有关非惯性系的问题做了一些努力和尝试，并得到了广义相对性原理。应该说，广义相对性原理很有可能是正确的，毕竟它太优美了！我们很有信心地将它列为了一条原理。　
　　现在，我们来看看引力的问题。　
　　在牛顿万有引力定律中，相距r的、质量分别为M、m的两个质点之间的万有引力为　
　　F=GMm/r2　
　　还记得这个式子吧？可是家喻户晓的哟！而且前面我们也说过了。再唠叨一次，G是常量，等于6。67×10^…11（牛米2/千克2）。　
　　这个式子背后隐藏着什么事情呢？　
　　你看这个式子，F就是两家之间的引力，假设Ｍ或者m突然间改变了，按照这个公式，Ｆ也会立即改变！注意到了没有，是立即改变！瞬间改变！为什么可以这样呢？在经典时空观里面，是允许存在无限大速度的（相信你不会忘记，牛顿为此还在那场球赛上吃到了一张黄牌），所以，当这家的质量发生变化时，可以瞬时通知到另一家！这种就叫做超距作用。　
　　但是，在狭义相对论中，信号传播的速度的上限是光速c！也就是说，不允许无限大信号速度的存在！这就矛盾了！然而，狭义相对论并没有解决这个问题。　
　　按照牛顿的理解，引力的传递是不需要时间的，它可以不知不觉地霎那间从这里传到了那里。为了取缔这种超距作用，类比电荷之间依靠电场来相互作用的例子，我们假设物体之间的引力作用也是依靠一种场，这种就叫做引力场。这样一来，这个物体对那个物体的吸引作用就通过引力场从这边传递到那边，而且传递的速度等于光速。　
　　于是，我们就有了引力场！　
　　再来看看另一个相关的问题——引力质量和惯性质量。　
　　引力质量？惯性质量？　
　　这有什么不同吗？　
　　顾名思义，是的，是有不同。　
　　根据牛顿第二定律，　
　　Ｆ＝ma　
　　这里说的就是惯性质量。　
　　而根据牛顿万有引力定律，　
　　F=GMm’/r2或者G=m’g（为了有所区别，这里的m就带上一撇吧）　
　　这里说的就是引力质量。　
　　惯性质量越大，物体就越有“惯性”，用很大的力也很难改变它的运动状态。　
　　引力质量越大，物体就越有“引力”，可以把另外的物体吸引得更厉害一些。　
　　惯性质量和引力质量的定义和性质虽然有些不同，但是，却有一个惊人的事实——　
　　惯性质量等于引力质量！　
　　我们来看一下。　
　　回到伽利略的斜塔实验。他一松手，小球就在地球引力的作用下向着地面冲去。这时它所受的外力就是万有引力。根据牛顿第二定律和万有引力定律，我们有　
　　Ｆ=ma（老样子，这里是小球的惯性质量），G=m’g（这里是它的引力质量），F=G　
　　也就是　
　　ma=m’g　
　　只要我们得到a=g=一个常数，那么就会有m=m’！　
　　那g是不是一个常数呢？　
　　看，“噔哐”两个小球确实同时着地了！两个小球都是无初速度释放，而且走过了相同的位移，更是同时落地！很明显，它们的加速度必定是一样的！（如果你还记得中学时的那条公式s=at^2/2的话，你一定很清楚为什么。这里s是位移，a是加速度，t是时间。）　
　　不管你是用小球，还是炮弹，或者扔两只小猫下去，甚至你和伽利略一起掉下去，都会是这样的结果！一样的位移，一样的时间！　
　　而且只要你一算，就会发现，g确实是一个常数，在我们地球上，它很接近9。8米/秒^2！　
　　看来，惯性质量确实等于引力质量！　
　　不仅如此，在1906年，匈牙利物理学家厄缶做了更精确的实验，验证了这个结果。1964年R。H。Dicke的实验的精度甚至达到了10^…11的数量级！也就是说，惯性质量和引力质量在小数点后面的前11位小数都是一样的！而现在的精度就更加高了！　
　　一个物体的惯性质量和它的引力质量是相等的！　
　　无争的事实！　
　　这就奇怪了！　
　　两个质量的性质并不一样！但是，它们却惊人地相等！　
　　爱因斯坦陷入了沉思之中。　
　　为什么呢？为什么会这样呢？　
　　引力质量跟引力场该有关系吧？而这里的惯性质量又该跟非惯性力场有关吧？……现在，引力质量就等于惯性质量……是不是预示着引力场跟非惯性系有什么关系呢？……　



一道闪电划破夜空！　
　　是的！一定是有关系的！我的直觉告诉我！　
　　……　
　　我可以想象这样一个实验——　
　　在地球上一个密封的箱子里面，有一个物理学家。晚上，他睡着了。这时，有一个生物（我们没有必要去管它是什么），它跟物理学家开了个玩笑。把箱子搬到了一个远离众多星球的地方，也就是说一个没有引力的地方。然后，用绳子不断地将箱子往上拉，而且加速度就刚好等于重力加速度g。那么，当物理学家醒来的时候，他会发现吗？　
　　不会！一定不会！首先他看不到外面。而他一样会感到箱子对他的反作用力，加速度就是g。这跟站在地球上（或者有引力的地方）的感觉是一样的。他放开手里的小球，小球由于不再受到外力，就会静止在原地方，但是，箱子和物理学家，还有箱子的其他一切东西，由于生物的拖拉，它们还是会以g的加速度上升，最终，还会重重地撞到小球上，这跟在地球上小球重重落到地板还是没有两样！　
　　这也就是说，对于动力学效应来说，引力场跟非惯性系是不可区分的！　
　　假设箱子里面的物理学家在顶处用绳子系了一个小球。绳子就会伸张，“竖直地”