在開了解廣義相對論的關鍵特點之前,我們必須假定一件事情:狹義相對論是正確的。這也就是說,廣義相對論是基于狹義相對論的。如果后者被證明是錯誤的,整個理論的大廈都將垮塌。
為了理解廣義相對論,我們必須明確質量在經典力學中是如何定義的。
質量的兩種不同表述:
首先,讓我們思考一下質量在日常生活中代表什么。“它是重量”?事實上,我們認為質量是某種可稱量的東西,正如我們是這樣度量它的:我們把需要測出其質量的物體放在一架天平上。我們這樣做是利用了質量的什么性質呢?是地球和被測物體相互吸引的事實。這種質量被稱作“引力質量”。我們稱它為“引力的”是因為它決定了宇宙中所有星星和恒星的運行:地球和太陽間的引力質量驅使地球圍繞后者作近乎圓形的環繞運動。
現在,試著在一個平面上推你的汽車。你不能否認你的汽車強烈地反抗著你要給它的加速度。這是因為你的汽車有一個非常大的質量。移動輕的物體要比移動重的物體輕松。質量也可以用另一種方式定義:“它反抗加速度”。這種質量被稱作“慣性質量”。
因此我們得出這個結論:我們可以用兩種方法度量質量。要么我們稱它的重量(非常簡單),要么我們測量它對加速度的抵抗(使用牛頓定律)。
人們做了許多實驗以測量同一物體的慣性質量和引力質量。所有的實驗結果都得出同一結論:慣性質量等于引力質量。
牛頓自己意識到這種質量的等同性是由某種他的理論不能夠解釋的原因引起的。但他認為這一結果是一種簡單的巧合。與此相反,愛因斯坦發現這種等同性中存在著一條取代牛頓理論的通道。
日常經驗驗證了這一等同性:兩個物體(一輕一重)會以相同的速度“下落”。然而重的物體受到的地球引力比輕的大。那么為什么它不會“落”得更快呢?因為它對加速度的抵抗更強。結論是,引力場中物體的加速度與其質量無關。伽利略是第一個注意到此現象的人。重要的是你應該明白,引力場中所有的物體“以同一速度下落”是(經典力學中)慣性質量和引力質量等同的結果。
現在我們關注一下“下落”這個表述。物體“下落”是由于地球的引力質量產生了地球的引力場。兩個物體在所有相同的引力場中的速度相同。不論是月亮的還是太陽的,它們以相同的比率被加速。這就是說它們的速度在每秒鐘內的增量相同。(加速度是速度每秒的增加值)
引力質量和慣性質量的等同性是愛因斯坦論據中的第三假設
愛因斯坦一直在尋找“引力質量與慣性質量相等”的解釋。為了這個目標,他作出了被稱作“等同原理”的第三假設。它說明:如果一個慣性系相對于一個伽利略系被均勻地加速,那么我們就可以通過引入相對于它的一個均勻引力場而認為它(該慣性系)是靜止的。
讓我們來考查一個慣性系K’,它有一個相對于伽利略系的均勻加速運動。在K 和K’周圍有許多物體。此物體相對于K是靜止的。因此這些物體相對于K’有一個相同的加速運動。這個加速度對所有的物體都是相同的,并且與K’相對于K的加速度方向相反。我們說過,在一個引力場中所有物體的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同于K’是靜止的并且存在一個均勻的引力場。
因此如果我們確立等同原理,兩個物體的質量相等只是它的一個簡單推論。 這就是為什么(質量)等同是支持等同原理的一個重要論據。
通過假定K’靜止且引力場存在,我們將K’理解為一個伽利略系,(這樣我們就可以)在其中研究力學規律。由此愛因斯坦確立了他的第四個原理。
愛因斯坦的第四假設是其第一假設的推廣。它可以這樣表述:自然法則在所有的系中都是相同的。不可否認,宣稱所有系中的自然規律都是相同的比稱只有在伽利略系中自然規律相同聽起來更“自然”。但是我們不知道(外部)是否存在一個伽利略系。
這個原理被稱作“廣義相對論原理”
死亡電梯
讓我們假想一個在摩天大樓內部自由下落的電梯,里面有一個蠢人。 這人讓他的表和手絹同時落下。會發生什么呢?對于一個電梯外以地球為參照系的人來說,表、手絹、人和電梯正以完全一致的速度下落。(讓我們復習一下:依據等同性原理,引力場中物體的運動不依賴于它的質量。)所以表和地板,手絹和地板,人和表,人和手絹的距離固定不變。因此對于電梯里的人而言,表和手絹將呆在他剛才扔它們的地方。
如果這人給他的手表或他的手絹一個特定的速度,它們將以恒定的速度沿直線運動。電梯表現得象一個伽利略系。然而,這不會永遠持續下去。遲早電梯都會撞碎,電梯外的觀察者將去參加一個意外事故的葬禮。
現在我們來做第二個理想化的試驗:我們的電梯原離任何大質量的物體。比如,正在宇宙深處。我們的大蠢蛋從上次事故中逃生。他在醫院呆了幾年后,決定重返電梯。突然一個生物開始拖動這個電梯。經典力學告訴我們:恒力將產生恒定的加速度。(對于非常高速的情況這條規律不適用。因為一個物體的質量隨速度增加而增大。在我們這個試驗中我們假定它是正確的。)由此,電梯在伽利略系中將有一個加速運動。
我們的天才傻瓜呆在電梯里讓他的手絹和手表下落。電梯外伽利略系中的人認為手表和手絹會撞到地板上。這是由于地板因其加速度而向它們(手絹和手表)撞過來。事實上,電梯外的人將會發現表和地板以及手絹和地板間的距離以相同的速率在減小。另一方面,電梯里的人會注意到他的手表和手絹有相同的加速度,他會把這歸因于引力場。
這兩種解釋看起來似乎一樣:一邊是一個加速運動,另一邊是一致的運動和引力場。
讓我們再做一個實驗來證明引力場的存在。一束光通過窗戶射在對面的墻上。我們的兩位觀察者是這樣解釋的:
在電梯外的人告訴我們:光通過窗戶以恒定的速度(當然了!)沿一條直線水平地射進電梯,照在對面的墻上。但由于電梯正在向上運動,所以光線的照射點應在此入射點稍下的位置上。
電梯里的人說:我們處于引力場中。由于光沒有質量,它不會受引力場的影響,它會恰好落在入射點正對的點上。
噢!問題出現了。兩個觀察者的意見不一致。然而在電梯里的人犯了個錯誤。他說光沒有質量,但光有能量,而能量有一個質量(記住一焦耳能量的質量是:M=E/C2)因此光將有一個向地板彎曲的軌跡,正象外部的觀察者所說的那樣。
由于能量的質量極小(C2=300,000,000×300,000,000),這種現象只能在非常強的引力場附近被觀察到。這已經被證實:由于太陽的巨大質量,光線在靠近太陽時會發生彎曲。這個試驗是愛因斯坦理論(廣義相對論)的首次實證。
從所有這些實驗中我們得出結論:通過引入一個引力場我們可以把一個加速系視為伽利略系。將其引伸,我們認為它對所有的運動都適用,不論它們是旋轉的(向心力被解釋為引力場)還是不均勻加速運動(對不滿足黎曼(Riemann)條件的引力場通過數學方法加以轉換)。你看,廣義相對論與實踐處處吻合。