第一章 相对论简史（1）

    第一章 相对论简史


    霍金


    爱因斯坦是如何为20世纪两个基本理论，即相对论和量子论奠基的。


    阿尔伯特?爱因斯坦，这是位狭义和广义相对论的发现者，1879年诞生于德国的乌尔姆。次年他的全家即迁往慕尼黑。在那里他的父亲赫曼和叔父各自建立了一个小型的不很成功的电器公司。阿尔伯特并非神童，但是宣称他在学校中成绩劣等似乎又言过其实。1894年他的父亲公司倒闭，全家又迁往意大利的米兰。他的父亲决定让他留在慕尼黑，以便完成中学学业，但是他讨厌其独裁主义，几个月后离开了，前往意大利与家人团聚。后来他在苏黎完成学业。ETH的教授们不喜欢他好辩的性格以及对权威的蔑视，他们中无人愿意雇他为助手，而这恰恰是进入学术生涯的正常途径。两年以后，他终于在伯尔尼的瑞士专利局获得一个低级职位。1905年正是在专利局任上，他写了三篇论文。这三篇论文不仅奠定了他作为世界最主要的科学家之一的地位，而且开启了两项观念革命，这革命改变了我们对时间，空间以及未来本身饿理解。


    在19世纪末，科学家们相信他们已经处于完整描述宇宙的前夕。他们好象空间充满了所谓以太的连续介质。光线和无线电讯号是在以太中的波动，如同声音为空气中的压力波一样。对于完整理论所需要的一切只不过是要仔细测量已太的弹性性质。事实上，为了进行这种测量，哈佛大学建立了杰佛弗逊实验室。整个建筑物不能用任何铁钉，以免干扰灵敏的磁测量。然而策划者忘记了构筑实验室和哈佛大部分楼房的褐红色砖头砖头含有大量的铁。这座建筑物迄今仍在使用，虽然哈佛仍然不能清楚，不用铁钉的图书馆地板究竟可以支撑多少卷藏书。


    到世纪交替之际，开始出现可和穿透一切的以太观的偏差。人们预料光在通过已太时以恒定的速度旅行；但如果你通过已以太顺着光的方向运动，它的速度会显得更快。


    然而一系列实验不支持这个观念。阿尔伯特?麦克尔逊和爱德华?莫雷于1887年在俄亥俄的克里夫兰的凯思应用科学学校所进行的实验为其中最为仔细最为精确者。他们对相互垂直的两束光的速度进行比较。随着地球绕轴自转以及公转，仪器以变化的速度和方向通过以太运动。但是麦克尔逊和莫雷的两光束之间没有周日和周年的差别。不管人们在哪个方向上多快运动，光似乎总是以相同的速率相对于他的所在地运动。


    爱尔兰的物理学家乔治?费兹杰拉德和荷兰物理学家亨得利克?洛伦兹，在麦克尔逊-莫雷的基础上建议，物体在通过以太运动时会收缩，而且钟表要变慢。这种收缩和钟表变慢使人们测量到相同的光速，而不管他们相对于以太如何运动。然而，爱因斯坦在1905年6月撰写的一篇论文中指出，如果我们不能检测出他是否穿越时空的运动，则以太观念纯熟多余。想反的，他以为科学定律对于所有自由运动的观察者都显得相同的假设为出发点。特别是，不管他们如何快速运动，都应测量到相同的光速。光速和他们运动无关，并且在所有方向上都相同。


    这就需要抛弃一个观念，即存在一个所有钟表都测量的成为时间的普适的量。相反的，每个人都有他或者她自己的个人时间。如果两个人处于相对静止状态，则他们的时间就一致，但是一旦他们相互运动则不一致。


    这已经被很多实验所证实，其中包括两台以相反方向绕世界飞行的精确的钟表返回后显示时间的微小差异。这似乎暗示，人们若要活的更长久，应该不断地飞向东去，使得地球的旋转叠加上飞机的速度。然而，人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害。


    爱因斯坦的假定，即自然定律对于所有有自由运动的观察者应该显得相同，是相对论的基础。之所以这么称呼是因为它意味着只有相对运动才是重要的。它的美丽和简单征服了许多科学家，但是仍然有许多人反对。爱因斯坦推翻了19世纪科学家的两个绝对物：以太代表的绝对静止和所有钟表都测量的或普适时间。许多人觉得这是一个另人不安的概念。他们问道，这是否意味着，万物都是相对静止的，甚至不存在绝对的道德标准呢？这种苦恼持续穿于20世纪20年代和30年代。1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖时，其颂词是至关重要的，但是按照他的标准却是相对次要的，也是在1905年做过的研究。它没有提及相对论，因为相对论被认为太过于争论性了。尽管如此，现在科学界已经完全接受了相对论，无数的应用证实了他的预言。


    相对论的一个非常重要的推论是质量和能量的关系。爱因斯坦关于光速对于任何人而言都应该显得相同的假设，意味着没有任何运动的比光还快。当人们应能量加速任何物体，无论是粒子或者空间飞船，实际上发生的是，它的质量增加，使得对她进一步加速更困难。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量，因而是不可能的，正如爱因斯坦的著名公式总结的：E=mc^2，质量和能量是等效的。这也许是物