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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标  题: 伟大的相对论（三）
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月08日12:05:23 星期六), 站内信件

三、光的科学史（下）
　　广义相对论方程是他（爱因斯坦）最好的墓志铭和纪念碑。
它们与宇宙一起永不腐朽。　　　　　　　　　　　——霍金
　　1905年，爱因斯坦发表了他一生中最重要的成果——狭义
相对论。但是，在当时的科学界，人们尚不能摆脱旧有的时间
和空间观念，对狭义相对论保持一定的谨慎态度，狭义相对论
的提出，并没有马上引起很大的反响。值得庆幸的是，德国物
理学的权威人士普朗克首先注意到了狭义相对论的重要性。
　　1900年，普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难问题，曾提
出了辐射的量子理论，即是光辐射必须采取一种称作量子的波
包形式。普朗克认为各种频率的电磁波，包括光只能以各自确
定分量的能量从振子射出，他根据这个模型计算出的黑体光谱
与实际观测到的相一致，这意味着，近代物理学的基石——量
子论已经诞生。
　　和爱因斯坦一样，普朗克所提出的量子假说与旧有的物理
经典理论之间产生了巨大的矛盾，显示出不相容的问题。与爱
因斯坦不同的是，普朗克没有迈出关键一步的勇气，由于当时
他的假说不被物理学界所接受，普朗克开始考虑用能量的连续
变化来解决辐射的问题，这实际上意味着普朗克放弃了量子论。
但是，科学是一门不断进步，不断开拓的自然学科，量子假说
一旦被提出，其发展就不可阻挡。
　　普朗克作为爱因斯坦狭义相对论的审稿人，敏锐的发现，
爱因斯坦的狭义相对论所提出的光子理论——光以粒子即光子
的形式存在，肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义，
有力的支持了他的理论。普朗克认为，爱因斯坦的成就无以伦
比，甚至与科学史上最伟大的哥白尼、牛顿相比，也毫不逊色。
就此，在普朗克的鼓舞和推动下，狭义相对论逐渐成为科学界
评论研究的焦点，爱因斯坦本人也因此受到了学术界的重视和
肯定。
　　尽管爱因斯坦的狭义相对论取得了辉煌的成就，但爱因斯
坦本人却并不满足。因为狭义相对论尚存在着一定的缺陷。狭
义相对论详细的解释了力学，热力学和电动力学的物理规律，
阐述了光在运动中的行为，但不能解释经典力学中的引力问题。
牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传
递，即以无穷大的速度传递，这与相对论的光速是物质运动的
极限相互冲突。爱因斯坦基于对宇宙统一性的认识，意识到狭
义相对论只考虑到了理想状态下的物质运动，即恒速运动参照
系。但是，宇宙中不可能存在恒速参照系，一切自然规律不应
该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。因此，就在爱因斯坦发
表狭义相对论的同时，他就已经开始考虑狭义相对论的限制及
外延。
　　爱因斯坦的首要任务，是解开重力之迷。在经典物理学里，
重力是一种受引力制约的超距的力，伽里略对重力的描述是在
地球的万有引力场中，不同质量的物体以同样的速度落下。爱
因斯坦意识到，根据惯性质量和引力质量成正比的物理定律，
在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照
系，重力与加速度之间具有明显的等效性，匀速加速参照系与
在均匀万有引力场中静止的参照系必然等效。这是爱因斯坦根
据狭义相对论中参照系的运动来解释重力的一种全新的观念，
由此，构成了广义相对论的基础。
封闭箱模型：引力场与加速参照系完全等效
　　1907年，爱因斯坦在科学界还没有很好的理解和吸收狭义
相对论的时候，又发表了关于狭义相对论的文章《关于相对性
原理和由此得出的结论》。在这篇文章中，爱因斯坦首次阐述
了等效性的问题，提出了等效原理。为了证明等效原理，爱因
斯坦提出了封闭箱的假想实验：在一封闭箱中，处于静止于一
个引力场状态，和处于没有引力场却在作加速运动状态是完全
相同的，没有任何方法能将二者区分开。因此，爱因斯坦认为，
加速参照系完全可以取代引力场，而重力与加速度之间的关系，
将很大程度上改变原有的经典物理体系，从而勾勒出一幅全新
的时空观。
　　爱因斯坦对等效原理不断拓展和完善，经过10年艰苦的探
索和研究，在一次又一次的失败后，终于在1916年发表了《广
义相对论的基础》。在这篇文章中，爱因斯坦将以前适用于惯
性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样
成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性
原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成
立。广义相对论由此诞生。

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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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