相對論的實踐與檢驗

　四、相對論的實踐與檢驗 在發展相對論的年代裡死去，真是太可惜了。 ——愛因斯坦的導師:明可夫斯基 廣義相對論首次引用了曲率的概念，用幾何學代替了經典物理學中的 重力概念。愛因斯坦對物體的加速度與曲率之間的關係作了詳細的闡述， 他認為，宇宙中一切物質的運動都可以用曲率來描述，由於有物質的存在， 空間和時間會發生彎曲，而引力場實際上就是一個彎曲的時空。愛因斯坦 根據這一結論，給出了著名的引力場方程式：

愛因斯坦引力場方程是二階的，以時空為自變數，以度規為因變數的 帶有橢圓型約束的雙曲型偏微分方程，當然，愛因斯坦的這個引力場方程 並非完美，具體計算中，使用的只是一個近似解，而真正的球面對稱的准 確解——史瓦茲解是在此之後才找到的。不過，愛因斯坦的這個引力場方 程以其複雜而美妙著稱，任何曾與之打交道的人都會為之傾倒，留下深刻 的印象。 為了檢驗相對論的正確性，愛因斯坦開始計算早在牛頓時期就一直使 天文學家，物理學家們倍受困惑的水星軌道之迷。 自從200多年前的牛頓時期以來，天文學家和物理學家已經根據牛頓理 論計算出太陽系各個行星的運行軌道，但這一計算結果和實際中行星運行 的軌道存在著極其微小的差，由於科學界認為牛頓力學是極其精確的，因 而對出現這一數差深感不解和困惑。 隨著近代天文學的發展，科學家們觀測到的水星以每個世紀43秒的進 動率完成一次自轉，這與根據牛頓力學原理計算出的結果大致吻合。但是， 科學中不允許出現這種差異，哪怕是極其微小的差異。愛因斯坦與過去的 科學家不同，他在開始考慮水星近日點進動問題的伊始，就根據相對論的 原理將水星看作是一個圍繞太陽的彎曲空間中的行星，通過計算，愛因斯 坦得出的水星軌道恰好是以43秒每世紀的速率進動。這個結果是如此的激 動人心，令人振奮，以至於愛因斯坦說他自己的「心臟都在為之顫動」。 愛因斯坦的預測證明，在彎曲的時空中，光線必然沿著一個彎曲的軌 跡行進，在加速參照系中，光的運行軌跡必定是曲線。因此，根據相對性 原理，光在任何時空中的運動軌跡也一定是彎曲的。愛因斯坦為了檢驗這 一假設，選擇了太陽系的太陽引力場來進行計算，計算結果表面當遙遠的 星光掠過太陽表面時，將會發生一點七秒的偏轉。這一結論將可以通過全 日食時進行觀測檢驗。 二戰結束的1919年，在英國天文學家愛丁頓的支持與鼓勵下，英國科 學界為了證實愛因斯坦的結論，派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食， 經過認真的觀測和研究得出最後的結論，星光的確在太陽附近發生了一點 七秒的偏轉，英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了這一觀測報告，愛 因斯坦根據光線受引力場折射的計算結果與現實如此之吻合，確鑿無疑的 支持了相對論的正確性，也極大的震驚了科學界，當時的英國皇家學會會 長湯普森宣稱，愛因斯坦的相對論是自從牛頓時代以來所取得的關於萬有 引力理論的最重大的科學成果，而愛因斯坦的名字，則和哥白尼，牛頓等 人一起功標千史，永垂於人類科學的史冊。 附註：此外，相對論還在宇宙時鐘，粒子加速等各種試驗中得到了充 分的證實及大量的證據，限於文章篇幅和時間，我只寫了最有說服力的兩 個檢驗。愛因斯坦的相對論相容性非常完美（順便說一句，那些抨擊相對 論的民間科學家們大概從來不想也不會考慮相容性的問題），實際上這一 理論已經溶入了科學的各個領域，現代的許多自然科學的學科，如天文學， 光學，量子力學都是在相對論的基礎上發展的。相對論與現代科學聯繫如 此之緊密，以至於任何人想打倒它，都需要作出徹底推翻現今科學的所有 物理定律，否定所有科學領域的尖端技術成果的準備。 下一節：相對論的基礎及推導(上)>>