爱因斯坦(17)

一七

　　§第四章　广义相对论

　　在1919年，爱因斯坦9岁的儿子爱德华问父亲：“爸爸，你到底为什么这样出名？”爱因斯坦笑了起来，然后严肃地解释说：“你看见没有，当瞎眼的甲虫沿着球面爬行的时候，它没有发现它爬过的路径是弯的，而我有幸地发现了这一点。”

　　在狭义相对论问世以后，爱因斯坦活动的内在主流及其生活的基本内容，就在于探索更广泛的理论。

　　爱因斯坦认为，把匀速直线运动系统从其他的系统中分出来是人为的。在匀速直线运动系统中，力学过程是以同一方式进行的，并且不依赖于系统的运动。在加速运动的系统中，力学过程不是以同一方式进行的，它们依赖于加速度，加速度在这些系统中产生惯性力，它们是不能用力的相互作用来解释的，它们证明系统的运动，赋予这种运动以绝对的性质。因此，伽利略-牛顿的相对性原理只适用于匀速直线运动系统。

　　狭义相对论断定，在惯性系统中，不只是力学过程，而且所有的物理过程也都是以同一方式进行的。

　　但同先前一样，问题局限于惯性系统。加速度引起系统过程的破坏，并显示自己的绝对意义。能不能把加速系统中的事件设想为不破坏相对性原理，也就是不提供运动的绝对标准呢？能否把在惯性系统中充分证明了的相对性原理推广到加速系统呢？

　　从17世纪以来就熟悉的一条定律启示了肯定的回答。

　　一切物体都有惯性，它们都对作用于它们的力场表现出阻力。阻力的大小叫作物体的惯性质量。其次，物体对于力场仿佛具有一种感应性，例如带电荷的物体对电场有感应，吸引和排斥的电力或大或小地作用于它们。“感应性”的大小叫作物体的电荷，就电力的关系而言，物体有感应性即电荷，以及相反的情况。

　　具有质量的物体，可能根本就不带电荷。

　　但是，有一种场，物体对这种场的感应性永远与它的质量成正比，这就是引力场、重力场。自然界中，一切物体都受到其他物体的吸引。在所有场合，物体对引力场的“感应性”都正比于物体的阻力——它的惯性质量。物体的质量越大，越难改变其速度，它的惯性质量越大，则它越重，对别的物体的吸引也就在更大的程度上作用于它。因此，所有的物体，不依赖于它们的惯性质量，在给定的重力场中，都有同一的加速度，都会从同一高度以同一加速度向地面下落。

　　当物体获得加速度的时候，进入这个系统的物体对加速度的抵抗，正比于它们的惯性质量，这种抵抗表现为给系统一个同加速度方向相反的推力。当列车加速前进时，乘客就感受到这种推力，换句话说，就是感受到同列车行进方向相反的加速度。人们把这种推力说成是正比于物体的惯性质量的惯性力。重力场引起的加速度正比于重力质量。既然这些加速度和质量都成正比，能不能得知是由什么东西引起的加速度：是它自身的加速度呢，还是引力场？

　　爱因斯坦用来说明这一问题的例子有两个：一是在没有引力场的空间中加速度运动的升降机，一个是位于引力场中的不动的升降机。爱因斯坦说，我们假定，升降机是静止的，用粗绳吊在引力场中，比方说地球吊在引力场中，人们站在升降机中，他们感受到脚底有压力，并认为这压力就是自己的重量。现在设想一个没有受到引力作用的升降机，以作用于升降机的力的方向相反的加速度很快地移动。升降机的加速度在其中引起的过程，同在前一种情况下引力引起的过程没有区别。惯性力使站在升降机里的人们的脚底紧贴地板，使悬挂砝码的绳子拉紧等等。

　　任何人都无法说明，升降机中发生的过程的原因是什么：是升降机的加速运动还是作用于它的引力。

　　这个例子说明等价性原理。爱因斯坦给加速度和引力的动力效应以不可区别性的命名。从等价性原理可以得出，加速运动没有绝对标准：可以把加速度引起的内部效应说成是引力造成的。

　　为了把1905年发现的狭义相对论推广到加速运动，他指出，不仅运动的动力学效应，而且光学现象都有赖于引力。假设有一束横向光线穿过升降机，光线从一个小孔射入，并从另一个小孔射出。如果升降机以加速度运动着，光线将向升降机的运动相反的方向偏移。如果升降机是静止的，处于引力场中，那末光线将不偏移，并显示加速度和引力的物理效应之间的区别以及加速运动的绝对性。如果光没有引力质量的话，这一定会发生。但是，如果光有引力质量的话，换句话说，如果光受到引力场的作用的话，那末它在这些力的作用下，就会感受到加速度，要容许这种加速度，就必须抛弃狭义相对论的基本前提——光速守恒。爱因斯坦把狭义相对论的光速守恒原理限定在可以不计引力的区域。他把作为狭义相对论基础的相对性原理推广到了一切运动系统。关于光的重量、关于光有引力质量存在的结论，可以通过观察来检验。

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