今年是广义相对论创建100周年,也是狭义相对论创建110周年。广义相对论是“关于时间、空间和引力的理论”。这一理论可以看作是狭义相对论的推广,也可以看作是万有引力定律的发展。它认为万有引力不是一般意义上的力,而是一种几何效应,是时空弯曲的表现。我们将在本文中介绍爱因斯坦如何通过物理思想的多次突破,创建起相对论特别是广义相对论的大厦,并指出爱因斯坦是相对论的唯一创建者。
我们首先来回顾一下狭义相对论的创建。1905年,年仅27岁的爱因斯坦发表了《论运动物体的电动力学》一文,构建起狭义相对论的框架。爱因斯坦的理论建立在两条公理的基础之上,即“相对性原理”和“光速恒定原理”。“相对性原理”是说,物理规律在所有惯性系中都是相同的。“光速恒定原理”则分两层意思。第一层是“约定”,即在任一惯性系里,真空中的光速处处各向同性。
利用这一约定,爱因斯坦校准了静置于空间各点的时钟,使它们“同时”或“同步”,从而在全空间定义起统一的时间。在一个惯性系中定义统一的时间,是探讨相对论的前提。
在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上,爱因斯坦严格推出了狭义相对论的核心公式洛伦兹变换,并进一步严格推出“同时”的相对性,动尺收缩,动钟变慢,速度迭加公式,质量公式,质能关系等相对论效应,建立起狭义相对论的完整框架。在历史上,洛伦兹收缩公式和洛伦兹变换公式都出现在爱因斯坦提出相对论之前,但洛伦兹对上述公式的理解是不正确的。
狭义相对论的成就逐渐被大多数物理学家所接受,但也存在一些质疑和批评。
爱因斯坦认为,他的“相对论”存在两个大困难:一个与惯性系的定义有关,另一个与万有引力有关。爱因斯坦的相对论建立在“惯性系”的基础之上,但是,在他的新理论中,惯性系却无法定义了。牛顿的经典物理学认为,存在一个绝对空间,凡是相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系就是惯性系。爱因斯坦的相对论不承认存在绝对空间,认为所有的运动都是相对的。
爱因斯坦的思想方式与众不同,在重新定义惯性系的一些努力失败之后,他很快就产生了新想法:可不可不要惯性系呢?他建议取消惯性系的优越地位,不去定义惯性系,而是把相对性原理加以推广,从惯性系推广到任意参考系,成为“广义相对性原理”。这样一来,就避开了定义惯性系的困难。
爱因斯坦注意到,惯性力与一般力不同,它不来源于物体间的相互作用,因而也没有反作用力。爱因斯坦大胆猜测,引力效应可能是一种几何效应。万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。爱因斯坦给出了广义相对论的基本方程,这个方程被称为“爱因斯坦场方程”。爱因斯坦场方程是张量方程,描述时空的弯曲与物质的存在之间的关系。
广义相对论的实验验证也得到了支持。爱因斯坦在发表广义相对论理论的同时,提出了3个可以验证这一理论的实验,包括引力红移、水星轨道近日点的进动和光线偏折。天文观测证实了这些现象,与广义相对论的预言相符。100年来,广义相对论得到了实验观测的支持,并在天文学、宇宙学、黑洞和时空理论等方面得到了应用。狭义相对论则更是精确而广泛地应用到了物理学的各个领域中。
我们想强调,与量子论的创建有众多位缔造者不同,相对论的缔造者是唯一的。也就是说,爱因斯坦是狭义相对论和广义相对论的唯一创建者。真正起决定作用的是物理思想的创新和飞跃。