爱因斯坦(28)

二八

　　思想实验再进一步。假使里面的观察者用力朝任意方向推动一下物体，它就会作匀速直线运动；可是，它迟早要碰到升降机周围墙壁而使匀速直线运动受阻。此外，整个升降机迟早会碰到地面，从而破坏实验。所以这个坐标系是局部惯性的。再假设有一个与自由下落的升降机作直线匀速运动的升降机，它们二者都是局部惯性坐标系，那么在升降机里面做实验的观察者和在外面的观察者怎样来描述这一实验事实呢？

　　“外面的观察者看到升降机的运动和机内一切物体的运动，发现它们与牛顿引力定律是一致的。在他看来，由于地球的引力场作用，运动不是直线匀速的，而是加速的。

　　“可是在升降机内出生和成长的一代物理学家，却会作出完全不同的想法。他们确信自己保有一个惯性系，而把所有的自然定律都关联到他们的升降机，而且很有信心地说，在他们的坐标系中，定律都有一种特别简单的形式。他们会很自然地认为他们的升降机是静止的，而他们的坐标系是惯性的。”

　　爱因斯坦根据这一思想实验，推断出惯性系与相对于惯性系作等加速度的坐标系在物理上完全等效的假设，这一假设构成惯性质量与引力质量相等的“等效原理”。

　　其实，惯性质量和引力质量相等这一事实，从伽利略和牛顿时代以来是物理学上熟知的，但物理学家们都设有循此深思；物体的惯性和重量本身完全不同，为什么都用同一个常数（质量）去量度？为什么两者在数值上相等？

　　爱因斯坦的高明在于，他从众所周知的平常事实中发现了问题。英费尔德说，在科学发展的近300年间，爱因斯坦是头一个从加速度的等同性看到某种重要的启示的人。而这一发现极大地受益于爱因斯坦上述的思想实验。

　　爱因斯坦的等效原理的建立成为了广义相对论的出发点。善于从平常事实中看到和发现对立面，从而追索其统一是爱因斯坦理论思维的重要特征。等效性、对称性、统一性这些概念属于同一个系列的范畴，在理论探索中，每一个等效原理或对称原理的建立，都意味着统一性的构成，意味着理论的重大进步，它使相反的东西达到了相成，使对立达到统一。

　　爱因斯坦在广义相对性原理的基础上对引力问题作了重要解决，建立了一个新的引力理论。新理论不像牛顿那样将引力看作成一种力，而认为引力是由于物质的存在而产生的空一时连续区中的一种弯曲的场。爱因斯坦由此又推出三个著名的预言：1.水星近日点运动；2.光线在太阳引力场中的偏折；3.光谱线红移。第二个预言于1919年被观察证实。

　　爱因斯坦构建的广义相对论学说既发展了狭义的相对，又发展了牛顿的引力学说。从量上来说，广义相对论对牛顿学说只作了很小的修改，但是在质上，则是一场深刻的物理学上的革命。德布罗意提出，爱因斯坦的引力理论可以作为20世纪数学物理学的一个最优美的纪念碑而永垂不朽，因为对万有引力现象的新解释既雅致又美丽。

　　做思想实验是爱因斯坦的拿手本领，英费尔德说是爱因斯坦的癖好。他在创立相对论的过程中，他把思想实验在科学研究中的作用和地位充分地体现了出来，并且在相当程度上显示出思想实验的机理。他确定同时性概念的物理意义靠的是思想实验，从而成功地帮助他闯过了通向相对论的重要关口。去寻求超越狭义相对论的新理论的关键时刻，还是依靠思想实验，从而提出等效原理。尽管爱因斯坦的思想实验并非个个成功，但却是他获取科学探索胜利的重要阶梯。爱因斯坦无论是静坐家中，还是散步在户外，他那时时用手指缠绕着自己额上的一绺白发深深地沉思的面容成为人们最难忘怀又最感人心的爱因斯坦的形象。

　　爱因斯坦爱好沉思，这是他十分突出的性格。他的女婿凯泽尔曾经描述过他的工作状态。这个学者坐在一张旧的圈椅上，他那梦幻似的眼光远远越出他的小房间之外。他在置放膝上的白纸本上写着。突然，他的手停了下来，眼睛转向遥远的地方搜索。在沉思中，这位科学家在小房间里踱来踱去。他进入沉思是突然的，他从沉思中醒来也往往是突然的，而这戏剧性的时刻，他寻求的答案往往突然而至。

　　给爱因斯坦担任过助手的物理学家巴纳士·霍夫曼也有同样的观察记述：爱因斯坦在思考问题时总把自己的一绺长长的灰发缠卷在食指上，全神贯注地踱来踱去，突然，爱因斯坦显得轻松起来，脸上现出笑容。这意味着已经找到问题的解决办法。爱因斯坦的答案常常是正确的。有时候解答是那样的简单，以至于霍夫曼和英费尔德总抱怨自己为什么竟没有想到。霍夫曼认为，那简直是莫名其妙的魔术。

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