创立广义相对论

广义相对论的创立与狭义相对论相比是根本不同的，狭义相对论是在旧理论同新事实发生无法解释的矛盾中诞生的。当时，狭义相对论诞生的历史条件已经成熟，不少优秀的科学家已经走到了狭义相对论的大门口，只是他们缺少像爱因斯坦那样深邃和睿智的哲学思想和高人一筹的科学方法，才与之失之交臂。而广义相对论却根本不同，当时并没有出现牛顿引力定律同经验事实发生明显矛盾的情况。根据牛顿的引力理论，计算出水星轨道进动的总效果是1º32′27"/百年，而实际观测值是1º33′10"/百年，相差43"/百年。但这个微小的差别比起牛顿引力理论的伟大成功是微不足道的。因此，爱因斯坦认为，尽管别人也可以创立狭义相对论，但创立广义相对论却是非自己莫属。

创立广义相对论，爱因斯坦成功地运用了科学的逻辑方法。这是因为狭义相对论规定了一切物质自由运动包括信号传递的极限速度的光速，而牛顿的引力理论却是从瞬间超距作用为基础的，即认为引力以无限大的速度来传递。很明显，这是与狭义相对论相抵触的。因此有必要对牛顿的引力理论加以改造。而且，狭义相对论只适用于弱引力场情况和惯性系。故此，它有一定的局限性。

怎样把相对性原理推广到非惯性系呢？这还要归功于爱因斯坦深刻的哲学思想。因为他相信自然界的统一性，狭义相对论显然还未达到这个目标，这个内在的规律性一定会找到，相对论应该在更广泛的意义上成立。按照这个逻辑，1907年，爱因斯坦又做了一个拿手的“思想实验”：处在一静止电梯外面的观察者考察该静止电梯内物体下落情况，他认为电梯是处在静止状态，其中的物体下落是受到外加引力场作用的结果。而另一处在电梯内的观察者则可能得出电梯是在以加速度上升的结论。他虽是以静止的电梯为参照系的，但却认为这个参照系是匀加速运动的，他把引力场的效应用参照系的加速度来代替了。于是从惯性质量和引力质量相等原理完全可以引出如下新的物理概念：在时空小范围内，引力场同参照系相当的加速度在物理上完全等价，从一个加速度系统所看到的运动与从存在有引力场的惯性系中看到的运动是完全相当的。这关键的一步是爱因斯坦发现了等效原理。它的启发性意义在于，它允许一个均匀加速参照系代替一个均匀引力场，这个参照系的匀加速度就等于惯性参照系中物体在均匀引力作用下的加速度。

爱因斯坦沿着这一道路继续探索前进。1912年，他回到了母校苏黎世大学，在留校任教的同班同学格罗斯曼的帮助下找到了一个合适的数学工具——黎曼几何。经过3年努力，他们合作写出了论文《广义相对论和引力理论纲要》，奠定了广义相对论的基础。同年底，爱因斯坦找到了引力场方程。根据广义相对论，爱因斯坦解释了水星近日点的进动，计算出了光线掠过太阳时的正确偏转值。1916年，他的论文《广义相对论的基础》问世，宣告了广义相对论的最后诞生。

广义相对论认为：在有引力场存在时，现实的有物质存在的空间不是平直的欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间。它的弯曲程度取决于物质的质量、温度及分布状态，空间曲率就体现在引力场的强度。在物质密度越大的地方，引力场就越强，时空弯曲就厉害。而在物质密度小的地方，引力场就弱，时空弯曲就平缓一些。这样就可以把引力看作弯曲的空间本身，而不再视为相互作用下的规律。物质分布决定了局部时空的曲率，物体的动力学方程包含在场方程之中。物质造成了时空弯曲，弯曲又决定了引力场内物体运动。广义相对论深刻地揭示了时空同物质的统一关系。这和马克思主义的辩证唯物论的认识论是完全一致的：物质是第一性的，空间和时间是物质存在的基本形式，时空再也不是离开物质而独立存在的实在客体，它不但由物质运动决定，更要由物质本身决定。这就彻底地否定了唯心主义的绝对时空观。

广义相对论建立起来了。但它还要经过科学实践的检验。人们期待着这一天的到来。1919年5月29日，英国天文学家爱丁顿（A. S. Edingdon，1882—1944年）和克罗姆林（A. C. C. Crommelin，1865—1939年）分别在非洲和南美洲观测到日全食太阳附近恒星位置的变化，验证了光线在引力场中的弯曲效应。两地观测结果是1.61"±0.30"和1.98"±0.12"。爱因斯坦在1916年预言光线经过太阳附近时，由于时空弯曲其偏角为1.75"。以后多年观测的结果在1.60"～2.10"之间。随着射电天文学的发展，近年来射电源已能精确地定位。1976年测得偏角为1.76"±0.0016"，这一结果为爱因斯坦的理论提供了可靠的实验数据。

根据爱因斯坦的广义相对论，1966—1977年美国物理学家验证了水星近日点的进动；根据在引力场中时钟变慢的效应，1962年法国科学家又以高精度证实了太阳光谱线的红移。爱因斯坦的相对论理论已经应用到了广阔无垠的宇宙。

这个伟大的理论，整整影响着20世纪和21世纪物理学及其他各种学科的发展，取得了并正在取得着一系列辉煌成就。2015年10月，美国科学家已经成功地探测到了引力波。回顾爱因斯坦的成功，我们可以得到以下几点启示。

1.爱因斯坦广博的知识是他成功的关键。在大学毕业最初几年，他与好朋友索罗文和哈比希特组成“奥林匹亚科学院”，广读博览，这使爱因斯坦思路开阔、思想博大精深、很有哲学见解，也足以称为哲学家。广读博览使他具备了优秀的哲学素养，能够自觉地坚持唯物主义立场，善于辩证思维，相信客观世界的统一性，批判地继承前人的科学和哲学思想，为己所用，不断创新。终于创立了20世纪最伟大的广义相对论，指引着20世纪和21世纪物理学、天文学和宇宙学研究和发展的方向。

2.严密的数学方法。与广义相对论不同的是，爱因斯坦创立狭义相对论时还是一个26岁的青年人，但他酝酿这个从16岁上中学时即已开始，已有10年时间。在创立这个理论时，还没有确切的把握，所以运用的是假说法。而广义相对论是在狭义相对论的基础上，成功地进行逻辑推理，间或也运用了演绎方法。这并不是每一个人都能成功的。爱因斯坦在创立广义相对论时所使用的张量分析等工具中，需要对空间坐标的度量性质进行进一步抽象，使坐标摆脱对度量意义的直接依赖。他采用了一种叫作“协变微分”或“绝对微分”的数学运算方法，广泛地使用数学方法和逻辑推理方法。这也是爱因斯坦一生能够取得多方面重大成就的一个诀窍。爱因斯坦用优美的数学方法把广义相对论进行了精确的定量的描述，发挥了数学和逻辑的演绎功能，从中推演出更丰富的优秀的成果。可见数学和逻辑是不可分的。

3.不迷信权威。牛顿力学统治了物理学界200多年，并且取得了无数辉煌的成就。科学家们几乎认为牛顿力学是物理学的最高峰，不可能再有新的成就产生。人们最大的工作就是在牛顿定律的后面再添加几个小数点，再验证以前没有发现的东西而已，因而把牛顿力学视为金科玉律。殊不知牛顿力学也遇到了无法解释的问题，无法合理解释水星近日点的进动。当初有人问起牛顿万有引力从何而来时，牛顿只好将其归结为“上帝最初的一推”。爱因斯坦则独辟蹊径，从客观世界内在的本质出发去寻找其本质规律。广义相对论非常合理地解释了水星近日点的进动，是因为空间太阳系内引力场作用的结果，各大行星既有自己的运行规律，也受太阳吸引并相互作用，水星近日点每百年就应该有这43"的进动。物质使时空弯曲，时空使物质运动。这就是广义相对论引力理论的本质。