從“偶像來了”到“絕對大牌”的物理學家

100多年前的1915年11月，阿爾伯特·愛因斯坦向普魯士科學院提交了廣義相對論的文稿，從任何一位秉持公心的科學家看來，愛因斯坦獨自創立的廣義相對論取得了巨大成功，在過去和現在的多次檢驗中，廣義相對論的正確性都得到了嚴格檢驗。建立在狹義相對論基礎上的廣義相對論解決19世紀物理學一些最棘手的理論謎題。如何理解廣義相對論的基本含義和物理學意義？很有必要回顧一下19世紀的物理學狀態，從物理學史的線索中尋求愛因斯坦的偉大理論如何實現了物質、時間和空間的統一，從而徹底推翻了時間、空間和幾何學彼此分離的經典物理理念，物質和時空物理學的基本概念不是絕對的，它們的性質依賴於所處的物理環境。

美妙的不變性

17世紀的伊薩克·牛頓概括、提煉了一組方程式，牛頓力學的定律形式描述了人們周圍物體的受力特性和運動性質，經典力學非常成功，既刻畫了加農炮彈的飛行軌跡，也描述了行星運動的規律等，牛頓力學的概念有非常吸引人的特徵，例如：所有觀察者——無論運動與否，無論處在哪個慣性系或“慣性框架”，他們觀測的周圍物體的運動規律都是相同的，當兩個觀察者在不同的方向上運動時，他們看到的物理事件都以同樣的方式展開，每個觀察者對事件形式的觀測和記錄有所不同，一個觀察者報告說，他或她看到一個從左邊向右邊運動的物體，另一個觀察者報告說，他或她看到一個從右邊向左邊運動的物體，但他或她對兩個物體運動方式的基本描摹是相同的，觀察者歸納的兩個物體的運動規律表現了相同的形式。但從19世紀時，人們開始注意到不是所有物體的運動都遵循了這種不變性的規律。

電磁場的物理問題

19世紀的電學、磁學和光學獲得飛速發展，工業革命的浪潮推動了這些學科廣泛性的研究和應用，1865年，物理學家麥克斯維爾發表了一組方程式，他將所有的電、磁和光聯合成單一的電磁學現象。在麥克斯韋推匯出一組電磁學公式之後，人們很快意識到在這組公式中包含了某些奇異的性質，當從一個慣性系轉移到另一個慣性系時，公式的表示式發生了變化，一個觀察者在靜止時觀測到的物理現象與同一個觀察者在運動時觀測到的物理現象出現了明顯不同。物理學家開始意識到，人們已經熟悉的牛頓物理學概念並非普遍適用，所有不變性和與觀測者的不相關性只是一個美麗的神話或虛幻。當觀測和描述一個物理事件的性質時，人們必須考察事件發生的所在參考系，一個觀測者在一個參考系看到的運動現象和同一個觀測者在另一個參考系看到的運動現象十分不同，對物理事件性質的觀測和記錄依賴於觀測者所在的參考系。

歷史的車輪轉到了20世紀，產生了一種新的數學變式，在描述物體運動從一個慣性系轉換到另一個慣性系時，新的物理數學應用保持了麥克斯維方程式的架構，許多物理學家貢獻了他們的智慧，但人們將創新的物理數學轉換稱為“洛倫茲變換”。人們在牛頓力學中使用的慣性系之間的標準變換不同於洛倫茲變換，牛頓物理學中的長度和時間概念是絕對的、恆定的，一個物體在一個慣性系的長度與同一個物體在另一個慣性系的長度是絕對相同的，根據牛頓絕對時空觀的概念，在一個慣性系中的時間流逝與在另一個慣性系中的時間流逝是絕對一致的，然而，在洛倫茲變換的時間和長度等物理概念發生了變化，這些物理量的變化實際上依賴於觀測者所在的參考系。

相對論原理

洛倫茲變換讓愛因斯坦感到了困惑，這種保持了麥克斯維方程式結構的變換僅僅是一種數學上的技巧，還是存在一些更基本的物理性質，愛因斯坦懷疑時間和空間的概念是絕對的，是一些物理事件發生的“公理”和“先天條件”，或者說物理學中的不變性原理是至高無上的。1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，他認為物理學定律的不變性應當具有最高的地位，所有的慣性系都是同等的，在所有的慣性系中，物理學的規律應當具有同樣的形式，與觀測者的勻速運動不相關。將這種不變性原理應用到電磁學的領域，從一個慣性系轉變到另一個慣性系時，必然發生一種洛倫茲變換，這意味著時間和空間不再是絕對的概念，從一個慣性系變化到另一個慣性系時，它們的特性隨之發生變化。

引力原理

1907年，愛因斯坦意識到狹義相對論的不夠徹底性，相對性原理不僅應用到一個觀測者對勻速運動觀測的視野中，而且與牛頓的引力理論產生了衝突。愛因斯坦當時是一名瑞士專利局的文職人員，他沒有機會接觸大學的物理實驗室，但理論思維對實驗條件的缺失產生了補償，年輕的愛因斯坦只能依靠大腦的“思想實驗”，他在大腦的想象中設計了不同版本的思想實驗，朝向思想實驗的終極目標一步步地邁進，經過一番奇異性的邏輯思考，他發現引力與加速度沒有什麼不同，比如：當一個觀察者在地球上靜止不動地站立時，同一個觀測者感覺好像站在一個加速飛離地球的太空飛船上，而飛船的加速度環境相當於一個引力常數為1G的重力場。

愛因斯坦的思想實驗進一步顯示，一個做加速運動的觀測者將會發現，周圍物體的基本幾何特性發生了變化，例如：數字π（一種數學常數）不再確定為一個圓周的長度除以它的直徑。不僅時間和空間失去了絕對性的含義，而且運動物體的幾何學特徵也失去了絕對性的意義，高速運動物體的幾何學性質受到了物理條件的影響。

通向廣義相對論之路

所有的思想推理和論證使得愛因斯坦相信，時空幾何學與在時空中發生的物理過程密切相關，兩者的相互聯絡和相互影響好像辯證法思想敘述的一樣，時間和空間等概念不再是與牛頓物理學的定義“風馬牛不相干”的各個物理量。變化的時空觀導致了令人驚歎的結論：可以將物質引力理解為物體在時空中加速運動的效應，更大的時空彎曲導致了更大的引力。以下落物體的實驗為例，在17世紀牛頓力學的解釋中，物體下落（比如：蘋果落地）可以被理解為這些物體受到地球引力的牽引，但愛因斯坦相對論的解釋十分不同，這些物體不是做自由下落運動，而是沿著地球周圍的彎曲時空運動，最後碰上了地球，地球在沿著太陽周圍的彎曲時空運動時則不會碰上太陽。物體的質量和能量引起了時空的彎曲。

1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論的方程式，廣義相對論不僅導致了人們對周圍物理事件解釋的完全不同，而且對一些令人困惑、未有揭示的物理現象給出了預見性的解釋，比如：從水星的異常軌道到太陽引起的周圍光線的彎曲，從黑洞到宇宙大膨脹的預言等。從牛頓力學到狹義相對論，從狹義相對論到廣義相對論，物理學的進展之路崎嶇而坎坷，物理學家行走時一步一個腳印，一步一個深坑，但由愛因斯坦的智慧驅動的現代物理學每前進一步都朝向了人們對一個真實、完整宇宙的更多理解，今日物理學呈現了多樣化的發展勢頭，在牛頓和愛因斯坦物理學的基礎上獲得了更大的進展，但人們不能忘記歷史上一代又一代物理學家的艱難探索，他們在物理史留下了智慧和汗水交融的累累碩果。

從運載火箭發射到空間站的搭建，從上海到紐約、北京到迪拜建成的高樓大廈，牛頓力學公式的應用基本夠用，在建築力學的計算中只考慮建築材料和建築結構抵抗外部荷載的能力即可，重力的各種作用引起了建築材料和結構的變形。建築設計師和開發商無需考慮相對論和量子力學，建築物的尺度非常有限，不會到通天的高度，不會到原子的大小。經典力學構成了人們工程運算的理論基礎。麥克斯維的電磁學方程好像牛頓的力學方程，可以將麥克斯維稱為電磁學的“牛頓”，將牛頓稱為力學的“麥克斯韋”，兩位科學巨人的貢獻幾乎包括了19世紀經典物理學的主要成就。麥克斯韋預言了電磁波，好像愛因斯坦預測了引力波。電磁波技術十分成熟，在移動網際網路迅猛發展的時代，人們和智慧手機“誰也離不開誰”，電磁波是其間的“牽線人”，而引力波技術的時代看起來還遙遙無期。

（編譯：2016-1-14）