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共旋引力波理论初探(第一章 对引力本质探索的历史回顾3)

伍岳明 (wuyueming001@hotmail.com) 上传2007.09 浏览

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第三节 “离经叛道、自由思索”的爱因斯坦提出了“相对论”的引力场理论

伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年!

有两个人的思想和理论对年轻的爱因斯坦影响很大,爱因斯坦晚年回忆说:“在我的学生时代,最使我着迷的课题是麦克斯韦理论,这理论从超距作用过渡到以场作用为基本变数,而使它成为革命理论。”;爱因斯坦在 1946年的《自述》中写道:“是恩斯特•马赫,在他的《力学史》中冲击了这种教条式的信念;当我是一个学生的时候,这本书正是在这一方面给了我深刻的影响”显然,这里的“教条式的信念”指的是牛顿力学,在马赫怀疑论和经验论的影响下,爱因斯坦突破牛顿的绝对时空观的理论框架,建构起狭义相对论的理论框架。有一本书叫《阿尔伯特 ·爱因斯坦:哲学家-科学家》的学术自传中写到:“我是一个离经叛道的怪人。”当时牛顿力学碰到了一些问题,大家都解决不了,但爱因斯坦却解决了。因为他能够在某些方面背离牛顿力学之经,叛离牛顿力学之道。实际上爱因斯坦就有这种怀疑和批判的精神。特别是在有一定的实验基础,但实验观测和已有的理论有着矛盾的时候,怎样来突破,就要有思想的武器。恩格斯也说过,怀疑和批判的头脑是科学家的另一个主要的武器。爱因斯坦就是拿起这个武器,排除瞬时超距作用可能性,建构起狭义相对论,确立了崭新的时空观,并指出,真空中的光速是一切物理作用传播速度的极限。 1916年,爱因斯坦又发表了《广义相对论的基础》的论文,提出了崭新的引力场理论。他认为由引力造成的加速度,可以同其他力造成的加速度区分开来。这个命题就是爱因斯坦的等价原理,即一个加速系统与一个引力场等效。我们设想,一个人在远离地球的太空中乘一架升降机上升,上升的加速度为: ,这个人由于对速度变动的阻力,双脚会紧紧压在升降机的地板上,就像升降机停在地球表面上不动一样,他无法说明他所受到的是引力还是惯性。因此,对牛顿所说的万有引力,在爱因斯坦看来,根本不是什么引力,而是时空的一种属性。在这种成曲线的四维时空连续体中,根本不需引力,天体是按自己应有的曲线轨道运行的,这种费解的“弯曲时空连续体”,往往被人们比作一张大橡皮绷得紧紧地悬在空中,每当有重物——星体、星系或其他任何东西放到它上面的时候,它就变了形,成为弯曲的,物体的质量愈大,变形愈甚。像太阳、地球这样大质量的物体,就会使周围时空弯曲,各行星并非被太阳吸住而在椭圆形轨道上绕太阳运转,而是沿着本来就是弯曲的时空线路运行的。由于物质的存在和一定分布状况,使得时空性质变得不均匀,从而导致了牛顿所说的万有引力。 1918年爱因斯坦根据引力场理论预言有引力波存在。他认为高速运动着(加速运动 )的物质会辐射引力,引力波就是这种引力的载体,就像光波是电磁力的载体一样。引力波的速度与真空中的光速相同。例如,在太阳和地球之间就是靠引力波传递引力子而实现相互作用的。爱因斯坦根据广义相对论,作出了光线在引力场作用下会发生弯曲、水星近日点发生进动和引力场中的光谱线向红端移动的三大预言,以后都被实验观测所证实。 1919年,英国物理学家汤姆生曾激动地说,爱因斯坦创立的相对论是“人类思想史上最伟大的成就之一 ”。

应该承认马赫的理论对爱因斯坦突破牛顿的绝对时空观的理论框架,建构起狭义相对论有重大影响, 爱因斯坦也公开表露过:尊 马赫为相对论先驱的意向。在1913年 爱因斯坦在与他人合作文章《广义相对论纲要和引力理论》中,可以读到 爱因斯坦引述马赫关于惯性起源于一个质点与所有其他质量相互作用的思想。爱因斯坦承认并强调马赫的惯性定律和广义相对论非常接近。当 1919年报道了爱丁顿率领的日蚀观测队证实了广义相对论所预言的星光被太阳引力场偏转以后,马赫和爱因斯坦相对论思想上的联系几乎被公认。但是,在 1921年出版的马赫二本书其中一本名为《物理光学原理》上卷,马赫嘱托执行人以马赫的名义,断然拒绝他是相对论的先驱。马赫在这个序中说:“我发现当今的相对论越来越教条,我拒斥它的理由和程度以及导致我产生这样一种观点的特殊原因——感觉生理学的考虑、认识论的深思,特别是我的诸实验结果所产生的洞察——都留在本书的续卷中讨论。” 马赫指责相对论越来越教条究竟指的是什么?董光璧在《科学历史的沉思》一书中认为主要是指“对符号的过高估计”认为爱因斯坦沿着符号化的方向迅速发展的程度必定使马赫担心。例如,马赫一贯不把空间和时间看作独立的存在,而是看作是现象之间的联系,爱因斯坦却把在马赫看来只不过是数学模型的弯曲空间视为“实在世界”,他怎么能不把这类发展看作是“越来越教条”呢?

董光璧认为“马赫所认为的相对论的“教条”倾向,至少具体表现为他同爱因斯坦在三个方面有分歧。第一,马赫的认识论的相对性和爱因斯坦的物理相对性的分歧。前者强调“现象之间的相互联系,而后者指的是坐标系之间的协变性。第二,马赫的感觉实在观和爱因斯坦的理性实在观的分歧。前者强调感觉和感觉的复合能够是并且必须是关于外在世界的那些陈述的惟一对象,而后者相信有一个独立于人的感觉的外在世界存在。第三,马赫的“下向法”和爱因斯坦的“上向法”分歧。前者要求逆向地追溯从具体事到抽象描述的可能性条件;而后者则是把一般化的经验事实作为原理,推论到具体事实的假说——演绎法。所有这一切都表明,马赫的实证论倾向,即要求从科学中排除形而上学的命题,在这个问题上起了重要作用。” 董光璧在《论爱因斯坦致马赫的信》中说过,爱因斯坦的这样一种说法最接近马赫的原意:“在他[马赫 ]看来,这个理论[相对论]是不能许可的思辩的”因为马赫在这个序言中已说了,“我发现当今的相对论越来越教条”。笔者认为:有可能出于同样的原因爱因斯坦的 相对论未能获得诺贝尔物理学奖。因为有报道说:有一位瑞典皇家科学院院士、物理学奖评委会成员哈瑟伯格听说有可能因为相对论而授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖时,他在病床上提出抗议,反对因相对论而授奖给爱因斯坦,他写道:“将猜想放在授奖的考虑之列,是极不可取的。”这也反映出瑞典科学界在 20世纪早期过分注重实验物理学,而将理论轻视为纯粹的猜想。他们认为爱因斯坦没有做过任何实验,他的理论不是由实验归纳出来的;同时也反映出西方科学界 的实证论倾向,即要求从科学中排除形而上学的命题,直到今天实证论的影响还是根深蒂固的。

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