首頁(yè) 2005世界物理年 > 愛(ài)因斯坦專題

廣義相對(duì)論的建立

  1905年,愛(ài)因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇文章后,并沒(méi)有立即引起很大的反響。但是德國(guó)物理學(xué)的權(quán)威人士普朗克注意到了他的文章,認(rèn)為愛(ài)因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推動(dòng),相對(duì)論很快成為人們研究和討論的課題,愛(ài)因斯坦也受到了學(xué)術(shù)界的注意。

  1907年,愛(ài)因斯坦聽(tīng)從友人的建議,提交了那篇著名的論文申請(qǐng)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的編外講師職位,但得到的答復(fù)是論文無(wú)法理解。雖然在德國(guó)物理學(xué)界愛(ài)因斯坦已經(jīng)很有名氣,但在瑞士,他卻得不到一個(gè)大學(xué)的教職,許多有名望的人開(kāi)始為他鳴不平,1908年,愛(ài)因斯坦終于得到了編外講師的職位,并在第二年當(dāng)上了副教授。1912年,愛(ài)因斯坦當(dāng)上了教授,1913年,應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授。

  在此期間,愛(ài)因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對(duì)論推廣,對(duì)于他來(lái)說(shuō),有兩個(gè)問(wèn)題使他不安。第一個(gè)是引力問(wèn)題,狹義相對(duì)論對(duì)于力學(xué)、熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的物理規(guī)律是正確的,但是它不能解釋引力問(wèn)題。牛頓的引力理論是超距的,兩個(gè)物體之間的引力作用在瞬間傳遞,即以無(wú)窮大的速度傳遞,這與相對(duì)論依據(jù)的場(chǎng)的觀點(diǎn)和極限的光速?zèng)_突。第二個(gè)是非慣性系問(wèn)題,狹義相對(duì)論與以前的物理學(xué)規(guī)律一樣,都只適用于慣性系。但事實(shí)上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說(shuō),一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系,必須考慮非慣性系。狹義相對(duì)論很難解釋所謂的雙生了佯謬,該佯謬說(shuō)的是,有一對(duì)孿生兄弟,哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行,根據(jù)相對(duì)論效應(yīng),高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢,等哥哥回來(lái),弟弟已經(jīng)變得很老了,因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)歷了幾十年。而按照相對(duì)性原理,飛船相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng),地球相對(duì)于飛船也高速運(yùn)動(dòng),弟弟看哥哥變年輕了,哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。這個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)直沒(méi)法回答。實(shí)際上,狹義相對(duì)論只處理勻速直線運(yùn)動(dòng),而哥哥要回來(lái)必須經(jīng)過(guò)一個(gè)變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程,這是相對(duì)論無(wú)法處理的。正在人們忙于理解相對(duì)狹義相對(duì)論時(shí),愛(ài)因斯坦正在接受完成廣義相對(duì)論。
  
  1907年,愛(ài)因斯坦撰寫(xiě)了關(guān)于狹義相對(duì)論的長(zhǎng)篇文章《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》,在這篇文章中愛(ài)因斯坦第一次提到了等效原理,此后,愛(ài)因斯坦關(guān)于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù),提出在無(wú)限小的體積中均勻的引力場(chǎng)完全可以代替加速運(yùn)動(dòng)的參照系。愛(ài)因斯坦并且提出了封閉箱的說(shuō)法:在一封閉箱中的觀察者,不管用什么方法也無(wú)法確定他究竟是靜止于一個(gè)引力場(chǎng)中,還是處在沒(méi)有引力場(chǎng)卻在作加速運(yùn)動(dòng)的空間中,這是解釋等效原理最常用的說(shuō)法,而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理一個(gè)自然的推論。

  廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論,而引力理論主要涉及的是天體。到現(xiàn)在,相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展,而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展,吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究。