广义的相对论是什么?

求证 :小明是坏人。

证明 :因为小明是坏人,所以小明做的事全是坏事 ;因为小明做的

事全是坏事,所以小明是坏人。

证明完毕。

狭义相对论也遇到了同样的悖论,相对论原理认为“一切物理定律

在所有的惯性系中均有效”。什么是惯性系?伽利略告诉我们,静止或匀

速运动的参考系即为惯性系。怎么判断静止或匀速运动呢?很简单,没有

加速度。那又怎么判断没有加速度呢?很简单,保持静止或匀速运动即视

为没有加速度。这是个死循环,互为因果,结果导致不因不果。也就是说,

狭义相对论以惯性系为基础,但是惯性系却没有办法定义。本以为狭义相

对论稳如磐石,没想到它其实是建在沙滩上的。

此外,狭义相对论认为一切速度都超越不了光速,引力自然也不能

超越。如果引力作用是超距的,则狭义相对论不成立 ;如果引力作用不

能超越光速,那么引力该如何产生作用呢?难道和电磁场一样,存在引力

场?即便存在引力场,又该如何建立与电磁场统一的物理定律呢?

1905 年是物理学的一个奇迹年,不过爱因斯坦本人还没有立刻成为

传奇 —— 还是专利局的职员,只是稍微升了几级。1907 年,爱因斯坦受

朋友邀请写一些关于相对论方面的东西,他强烈地感觉到狭义相对论有很

多缺陷,基本可概括为上述两个问题。所以,爱因斯坦认为应该有一个新

的物理定律,对所有的参考系 —— 惯性的、非惯性的都有效。

某天,爱因斯坦坐在办公室里,看到对面屋顶上有一个油漆工正在

刷屋顶。爱因斯坦想假设这个油漆工不小心掉了下来,会有怎样的结果?

油漆工肯定处于失重状态,并因失重感到害怕。爱因斯坦又想假设把一个

人放到封闭的电梯里,然后剪断电梯的缆绳,让其自由落体,这个人会有

怎样的感觉?这个人肯定也会处于失重状态,但是由于对外界一无所知,

即没有任何参考,他将会不知道自己处于以下哪种状态。

(1)有引力场的自由落体 [ 图 5.8(a)]。

(2)无引力场的惯性运动,即太空漂浮的失重状态 [ 图 5.8(b)]。

假设将这个电梯置于外太空,并用力拉动电梯,电梯里的人会感觉

到来自地板的支撑力,但并不知道这个支撑力来源于什么,也就是说,他

并不知道自己处于以下哪种状态。

(1)没有引力场的加速度运动 [ 图 5.9(a)]。

(2)静止在引力场中 [ 图 5.9(b)]。

第一个实验说明引力与惯性力 a 不可分辨;第二个实验说明加速度与

引力加速度不可分辨。从以上实验可以看出,对一个质点而言,外力可以

等效成引力,而外力产生的加速度可以等效成引力产生的加速度,这就是“等效原理”。

成名后的爱因斯坦称等效原理为“一生中最幸福的思想”,但等效原

理只是建立广义相对论的一小步,更重要的是建立数学模型。建立数学模

型何其之难,此时的爱因斯坦可能也为以前没有认真学习数学而感到懊悔。

幸好老友格罗斯曼上大学时一直认真学习数学,而且毕业后一直在研究非

欧几何。朋友分两种,一种是雪中送炭,另一种是锦上添花,而格罗斯曼

属于送了炭,还要添点花的那种。得知爱因斯坦的困难后,格罗斯曼不仅

倾囊相授,还经常泡在图书馆里,帮爱因斯坦寻找关于黎曼几何的理论。

可以说正是格罗斯曼的神助攻,爱因斯坦才能在相对论问题上梅开二度。

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