愛因斯坦(17)_學達書庫

一七

　　§第四章　廣義相對論

　　在1919年，愛因斯坦9歲的兒子愛德華問父親：「爸爸，你到底為什麼這樣出名？」愛因斯坦笑了起來，然後嚴肅地解釋說：「你看見沒有，當瞎眼的甲蟲沿著球面爬行的時候，它沒有發現它爬過的路徑是彎的，而我有幸地發現了這一點。」

　　在狹義相對論問世以後，愛因斯坦活動的內在主流及其生活的基本內容，就在於探索更廣泛的理論。

　　愛因斯坦認為，把勻速直線運動系統從其他的系統中分出來是人為的。在勻速直線運動系統中，力學過程是以同一方式進行的，並且不依賴於系統的運動。在加速運動的系統中，力學過程不是以同一方式進行的，它們依賴於加速度，加速度在這些系統中產生慣性力，它們是不能用力的相互作用來解釋的，它們證明系統的運動，賦予這種運動以絕對的性質。因此，伽利略-牛頓的相對性原理只適用於勻速直線運動系統。

　　狹義相對論斷定，在慣性系統中，不只是力學過程，而且所有的物理過程也都是以同一方式進行的。

　　但同先前一樣，問題局限於慣性系統。加速度引起系統過程的破壞，並顯示自己的絕對意義。能不能把加速系統中的事件設想為不破壞相對性原理，也就是不提供運動的絕對標準呢？能否把在慣性系統中充分證明了的相對性原理推廣到加速系統呢？

　　從17世紀以來就熟悉的一條定律啟示了肯定的回答。

　　一切物體都有慣性，它們都對作用於它們的力場表現出阻力。阻力的大小叫作物體的慣性質量。其次，物體對於力場仿佛具有一種感應性，例如帶電荷的物體對電場有感應，吸引和排斥的電力或大或小地作用於它們。「感應性」的大小叫作物體的電荷，就電力的關係而言，物體有感應性即電荷，以及相反的情況。

　　具有質量的物體，可能根本就不帶電荷。

　　但是，有一種場，物體對這種場的感應性永遠與它的質量成正比，這就是引力場、重力場。自然界中，一切物體都受到其他物體的吸引。在所有場合，物體對引力場的「感應性」都正比於物體的阻力——它的慣性質量。物體的質量越大，越難改變其速度，它的慣性質量越大，則它越重，對別的物體的吸引也就在更大的程度上作用於它。因此，所有的物體，不依賴於它們的慣性質量，在給定的重力場中，都有同一的加速度，都會從同一高度以同一加速度向地面下落。

　　當物體獲得加速度的時候，進入這個系統的物體對加速度的抵抗，正比於它們的慣性質量，這種抵抗表現為給系統一個同加速度方向相反的推力。當列車加速前進時，乘客就感受到這種推力，換句話說，就是感受到同列車行進方向相反的加速度。人們把這種推力說成是正比於物體的慣性質量的慣性力。重力場引起的加速度正比於重力質量。既然這些加速度和質量都成正比，能不能得知是由什麼東西引起的加速度：是它自身的加速度呢，還是引力場？

　　愛因斯坦用來說明這一問題的例子有兩個：一是在沒有引力場的空間中加速度運動的升降機，一個是位於引力場中的不動的升降機。愛因斯坦說，我們假定，升降機是靜止的，用粗繩吊在引力場中，比方說地球吊在引力場中，人們站在升降機中，他們感受到腳底有壓力，並認為這壓力就是自己的重量。現在設想一個沒有受到引力作用的升降機，以作用於升降機的力的方向相反的加速度很快地移動。升降機的加速度在其中引起的過程，同在前一種情況下引力引起的過程沒有區別。慣性力使站在升降機裡的人們的腳底緊貼地板，使懸掛砝碼的繩子拉緊等等。

　　任何人都無法說明，升降機中發生的過程的原因是什麼：是升降機的加速運動還是作用於它的引力。

　　這個例子說明等價性原理。愛因斯坦給加速度和引力的動力效應以不可區別性的命名。從等價性原理可以得出，加速運動沒有絕對標準：可以把加速度引起的內部效應說成是引力造成的。

　　為了把1905年發現的狹義相對論推廣到加速運動，他指出，不僅運動的動力學效應，而且光學現象都有賴於引力。假設有一束橫向光線穿過升降機，光線從一個小孔射入，並從另一個小孔射出。如果升降機以加速度運動著，光線將向升降機的運動相反的方向偏移。如果升降機是靜止的，處於引力場中，那末光線將不偏移，並顯示加速度和引力的物理效應之間的區別以及加速運動的絕對性。如果光沒有引力質量的話，這一定會發生。但是，如果光有引力質量的話，換句話說，如果光受到引力場的作用的話，那末它在這些力的作用下，就會感受到加速度，要容許這種加速度，就必須拋棄狹義相對論的基本前提——光速守恆。愛因斯坦把狹義相對論的光速守恆原理限定在可以不計引力的區域。他把作為狹義相對論基礎的相對性原理推廣到了一切運動系統。關於光的重量、關於光有引力質量存在的結論，可以通過觀察來檢驗。

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