广义相对论：实验验证与物理学进化

广义相对论企图建立一种能适用于一切坐标系的物理学定律。相对论的基本问题是引力问题。相对论是自牛顿时代以来第一个修正引力定律的理论。这是真正必需的吗？我们早已知道牛顿理论的伟大成就，以及建筑在他的引力定律基础上的天文学的巨大发展。牛顿定律直到现在还是一切天文计算的基础。但是，我们也听到了对于这个旧理论的一些责难。牛顿定律只能在经典物理学的惯性坐标系中有效，而我们记得，能应用力学定律的坐标系才是惯性的坐标系。两个质量之间的力与两者之间的距离有关。我们知道，对于经典转换，力与距离的关系是不变的。但是这个定律与狭义相对论的框架不符。对于洛仑兹转换，距离不是不变的。我们已经很成功地把运动定律推广到狭义相对论上去了，也应该可以设法把引力定律加以推广，使它适合于狭义相对论，或者换句话说，建立一种定律，使它对于洛仑兹转换是不变的，而不是对于经典转换是不变的。但是对于牛顿的引力定律，我们无论如何费尽心机，也无法将其简化而用到狭义相对论的范畴中去。我们即使在这方面成功了，也还需要做更进一步的努力：从狭义相对论的惯性坐标系进入广义相对论的任意的坐标系。另一方面，下落的升降机的理想实验明白地告诉我们，除非解决引力问题，我们绝不可能建立广义相对论。根据以上的论证，我们已经知道了引力问题的解在经典物理学中和在广义相对论中各不相同的原因。

我们曾试图说明过导出广义相对论的途径，以及我们不得不再一次改变我们的旧观点的理由。我们不叙述这种理论的正规结构，而只表述新的引力理论与旧理论比较起来有些什么特色。熟悉了上述许多问题以后，要掌握这些差别的实质将不是十分困难的了。

1.广义相对论的引力方程可以应用于任何坐标系。在特殊情况下选择某一特定的坐标系只是为了方便而已。在理论上说，所有的坐标系都可以选择。如果不考虑引力，我们就会自动地回到狭义相对论的惯性坐标系。

2.牛顿的引力定律把此时此地的一个物体的运动和同时的远处的一个物体的作用连接在一起。这个定律已成为全部机械观的一个典范。但是，机械观崩溃了。在麦克斯韦方程中，我们看到了自然定律的一个新的典范。麦克斯韦方程是结构定律。它们把此时此地所发生的事件与稍迟和邻近所发生的事件联结起来。它们是描写电磁场变化的定律。我们的新的引力方程也是一种描写引力场变化的结构定律。粗略地来讲，我们可以说：从牛顿的引力定律过渡到广义相对论，很像从库仑定律的电流体理论过渡到麦克斯韦理论。

3.我们的世界不是欧几里得性的。我们的世界的几何性质是用质量及其速度来表达的。广义相对论的引力方程就是要揭露我们的世界的几何性质。

我们暂且假定广义相对论的预言已经实现了。但是，我们的想象是否离现实太远了呢？我们知道旧理论很好地解释了天文观察的结果。能否也在新理论与观察之间建立起一座桥梁呢？每一个想象都必须用实验来验证，而任何结果不论如何吸引人，假如与实际情况不符，便必须放弃。这个新的引力理论是怎样经受实验的检验的呢？这个问题可以用一句话来回答：旧理论是新理论的一种特殊的极限情况。假如引力比较弱，则旧的牛顿定律所得结果便会十分接近新的引力定律的结果。因此所有支持旧理论的一切观察，也支持广义相对论。我们从新理论的更高水平上重新回到了旧理论。

即便我们不能提出另外的观察来支持新理论，即使它的解释和旧理论的解释的优越性不相上下，因而可以在两种理论之中随便选择一种，我们也应当选择新的。从形式上看来，新理论的方程要复杂得多，可是从基本原理来看，它简单得多。那两个可怕的鬼魂——绝对时间与惯性系已经不再出现了。引力质量与惯性质量相等的线索也没有被忽略。关于引力与距离的关系，不需要做任何假定。引力方程具有结构定律的形式，这是从场论的伟大成就以来任何物理学定律所需要的形式。

从新的引力定律可以推导出一些牛顿引力定律中所不包括的新的推论。我们已经引出了一个推论，即引力场中光线的弯曲。现在再介绍另外两个推论。(www.xing528.com)

如果在引力比较弱时旧定律符合于新定律，那么只有在引力比较大的地方才能发现牛顿引力定律的偏差。就太阳系来说，所有的行星，连地球在内都是沿着椭圆的轨道绕太阳运动的。水星是离太阳最近的行星。太阳与水星之间的引力，比太阳与任何其他行星之间的引力大些，因为它离太阳的距离较小。假如存在可以发现牛顿定律的偏差的一线希望，则最大的机会是在水星的运动中去发现。根据经典理论，水星的运动轨道和任何其他行星的相同，只不过它离太阳最近。根据广义相对论，它的运动应该稍有不同。不仅水星要围绕太阳转动，而且它的椭圆轨道也应该很慢地对于跟太阳相联系的坐标系转动。这种椭圆轨道的转动体现了广义相对论的新的效应。新理论还预言了这个效应的数值。水星的椭圆轨道在300万年之内才完成全转一次。由此可见，这种效应是极小的，因而要在其他与太阳相距较远的行星中去发现这个效应更是没有希望了。

在提出广义相对论以前，便已经发现水星的运动轨道不是完全椭圆形的，但是无法加以解释。另一方面，广义相对论也不是为了研究这个专门问题而发展的。只有在后来，才从新的引力方程中推出关于行星在围绕太阳而运动时其椭圆轨道本身也在转动的结论。在水星的例子中，理论成功地解释了水星的运动跟牛顿定律所预言的运动发生偏差的原因。

图68

但是，还有一个从广义相对论推出来而又可以和实验相比较的结论。我们已经知道放在转动的圆盘的大圆上的钟和放在小圆上的钟快慢不同。同样，根据相对论可以推导出，放在太阳上的钟跟放在地球上的钟快慢不同，因为引力场在太阳上比在地球上要强得多。

前面我们已经说过，炽热的钠会发射一定波长的单色黄光。在这种辐射中，原子显示了它发射的一种韵律；将原子比作一只钟，发射的波长则代表“钟”的韵律（快慢）。根据广义相对论，由太阳上的钠原子所发射的光的波长应该比地球上的钠原子所发射的光的波长稍稍大些。

用观察来检验广义相对论的推论是一个很复杂的问题，而且还没有找到确切的解决办法。因为我们只着重于主要的观念，所以不拟再从这方面做深入的讨论，但可以说，到目前为止，实验的判决似乎已承认广义相对论所推出的结论。