100多年前的1915年11月|从“偶像来了”到“绝对大牌”的物理学家( 二 ) 100多年前的1915年11月

相对论原理
洛伦兹变换让爱因斯坦感到了困惑，这种保持了麦克斯维方程式结构的变换仅仅是一种数学上的技巧，还是存在一些更基本的物理性质，爱因斯坦怀疑时间和空间的概念是绝对的，是一些物理事件发生的“公理”和“先天条件” ，或者说物理学中的不变性原理是至高无上的。
1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，他认为物理学定律的不变性应当具有最高的地位，所有的惯性系都是同等的，在所有的惯性系中，物理学的规律应当具有同样的形式，与观测者的匀速运动不相关。将这种不变性原理应用到电磁学的领域，从一个惯性系转变到另一个惯性系时，必然发生一种洛伦兹变换，这意味着时间和空间不再是绝对的概念，从一个惯性系变化到另一个惯性系时，它们的特性随之发生变化。
引力原理
1907年，爱因斯坦意识到狭义相对论的不够彻底性，相对性原理不仅应用到一个观测者对匀速运动观测的视野中，而且与牛顿的引力理论产生了冲突。爱因斯坦当时是一名瑞士专利局的文职人员，他没有机会接触大学的物理实验室，但理论思维对实验条件的缺失产生了补偿，年轻的爱因斯坦只能依靠大脑的“思想实验” ，他在大脑的想象中设计了不同版本的思想实验，朝向思想实验的终极目标一步步地迈进，经过一番奇异性的逻辑思考，他发现引力与加速度没有什么不同，比如：当一个观察者在地球上静止不动地站立时，同一个观测者感觉好像站在一个加速飞离地球的太空飞船上，而飞船的加速度环境相当于一个引力常数为1G的重力场。
爱因斯坦的思想实验进一步显示，一个做加速运动的观测者将会发现，周围物体的基本几何特性发生了变化，例如：数字π（一种数学常数）不再确定为一个圆周的长度除以它的直径。不仅时间和空间失去了绝对性的含义，而且运动物体的几何学特征也失去了绝对性的意义，高速运动物体的几何学性质受到了物理条件的影响。

文章图片
通向广义相对论之路
所有的思想推理和论证使得爱因斯坦相信，时空几何学与在时空中发生的物理过程密切相关，两者的相互联系和相互影响好像辩证法思想叙述的一样，时间和空间等概念不再是与牛顿物理学的定义“风马牛不相干”的各个物理量。变化的时空观导致了令人惊叹的结论：可以将物质引力理解为物体在时空中加速运动的效应，更大的时空弯曲导致了更大的引力。
以下落物体的实验为例，在17世纪牛顿力学的解释中，物体下落（比如：苹果落地）可以被理解为这些物体受到地球引力的牵引，但爱因斯坦相对论的解释十分不同，这些物体不是做自由下落运动，而是沿着地球周围的弯曲时空运动，最后碰上了地球，地球在沿着太阳周围的弯曲时空运动时则不会碰上太阳。物体的质量和能量引起了时空的弯曲。
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论的方程式，广义相对论不仅导致了人们对周围物理事件解释的完全不同，而且对一些令人困惑、未有揭示的物理现象给出了预见性的解释，比如：从水星的异常轨道到太阳引起的周围光线的弯曲，从黑洞到宇宙大膨胀的预言等。
从牛顿力学到狭义相对论，从狭义相对论到广义相对论，物理学的进展之路崎岖而坎坷，物理学家行走时一步一个脚印，一步一个深坑，但由爱因斯坦的智慧驱动的现代物理学每前进一步都朝向了人们对一个真实、完整宇宙的更多理解，今日物理学呈现了多样化的发展势头，在牛顿和爱因斯坦物理学的基础上获得了更大的进展，但人们不能忘记历史上一代又一代物理学家的艰难探索，他们在物理史留下了智慧和汗水交融的累累硕果。