如果说狭义相对论确立了爱因斯坦伟大的科学家的地位,那么广义相对论则使他成为最伟大的科学家之一。据说世界上能弄懂广义相对论的人不超过 12 人(这种说法有点言过其实)。与狭义相对论相比,广义相对论更深奥、更简练,而且范围更广。狭义相对论重新规定了运动的定义,而广义相对论则重新规定了引力、空间和时间的定义,重新规定了宇宙的构造。
狭义相对论只适用于匀速运动,或恒速直线运动。它不适用于物体加速、减速、转弯等非匀速或加速运动。爱因斯坦想弄清楚这一点,还想搞清楚为什么相对论适用于一种运动而不适用于另一种运动?他像普通人那样,只是想找到简单的答案,结果一些例外现象使他困惑不解。后来,他用了 10 年时间对非匀速运动作了认真研究,终于在 1915 年创造了广义相对论。
在爱因斯坦提出他的广义相对论后的几年时间里,物理学家怀疑其真实性。狭义相对论的证据很多,这些证据包括:光的恒速,物体质量随其加速而增加,时间膨胀,根据 E= mc2 方程式,质量和能量之间的相互转换——所有这些通过无可置疑的实验得到证实。但是广义相对论却让科学实验人员感到如同作恶梦一般。引用米什内尔、索恩和惠勒 3 人合著的《 引力作用》一书中的话来说: “还没有哪一种理论,其完善程度与检验难度可超过广义相对论的。”
1919 年发生了一次日全食,在这个过程中作了一次重要的检验。广义相对论提出,时空弯曲时出现一个强有力的引力场,结果使靠近这个引力场通过的一束光偏转。太阳产生了一个相当强有力的引力场,用通过太阳附近而达到地球的星光来研究偏转现象。必须要有日全食,否则,太阳晃眼的强光会使微弱的星光完全失色。当时在日全食发生前作过许多宣传,爱因斯坦的名声及其广义相对论的命运未卜。检验的结果是人们普遍接受了爱因斯坦的预测。星光略有折射这一点与他的预测大致相符。
对爱因斯坦广义相对论的另一次检验是精确测定绕太阳运行的水星轨道。水星轨道存在一个小问题。水星并没有沿经典物理学家所预测的轨道精确运行。在将太阳和其他行星对水星所产生的引力效应列入经典力学公式计算时,水星轨道的方向本应发生很小的变化——轨道方向的变化,一个世纪为 1 度的七分之一。然而,水星轨道方向的变化有点快,天文学家推测可能有一颗尚未发现的行星在水星轨道内运行,这颗行星存在的引力可对这种差异作出解释。他们甚至给这颗行星起名为祝融星(这颗行星以前叫“牛车星”)。
在 19 世纪后叶,出现了寻找“祝融星”热,但是一直没有发现。在爱因斯坦提出广义相对论以前,水星的轨道不规则现象一直是个谜。爱因斯坦的广义相对论解决了这个问题。这种额外的引力并不是来自水星轨道内的另一颗行星,而是来自太阳本身。用艾萨克·阿西莫夫撰写的《不存在的行星》一文中的一段话来说:太阳具有巨大的引力场,这意味着拥有大量的能量,这些能量和某种少得多的质量是等效的,请记住,根据 E=mc2 方程式,能量和质量可以相互转换,既然所有的质量都可产生一个引力场,那么在将太阳的引力场看作质量时,它自身肯定会产生一个小引力场。造成时空弯曲的这个较小的额外引力场正好解释了从水星上观察到的轨道和牛顿推断的轨道之间的差异。前面已经谈到,广义相对论也认为引力造成时间减慢。引力场越强,时间减慢得越多。通过利用计时精度很高的原子钟,科学家们已测出时间减慢多少。事实上,在珠穆朗玛峰峰顶(引力较弱)上时钟每小时滴答的速度比在海平面(引力较强)上时钟滴答的速度快 1 秒的十亿分之三。在星际空间(没有引力),时钟滴答的速度更快。时间减慢还产生光谱移向红端的效应(称之为红移),这种位移对诸如太阳之类的星体来说肯定很小。和质量较小的星体相比,太阳的引力大得多,但不如引力得到的红移那么大。 1962 年精确地确定了太阳的红移。
无疑广义相对论得到了证实,而且已成为科学思维不可缺少的一部分。
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