狹義與廣義相對論淺說

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東西，而且如果我還觀察到其中一個鍋不斷冒出蒸氣，而另外一個鍋則沒有蒸氣，那麼我就總是感到驚奇和不滿足，直到我發現某種情況能夠用來說明為什麼這兩個鍋有不同的表現為止。與此類似，我在經典力學中（或在狹義相對論中）找下到什麼實在的東西能夠用來說明為什麼相對於參考系K和K'來考慮時物體會有不同的表現。牛頓看到了這個缺陷，並曾試圖消除它，但沒有成功。只有馬赫對它看得最清楚，由於這個缺陷他宣稱必須把力學放在一個新的基礎上，只有藉助於與廣義相對性原理一致的物理學才能消除這個缺陷，因為這樣的理論的方程，對於一切參考物體，不論其運動狀態如何，都是成立的。

22．廣義相對性原理的幾個推論

第20節的論述表明，廣義相對性原理能夠使我們以純理論方式推出引力場的性質。例如，假定我們已經知道任一自然過程在伽利略區域中相對於一個伽利略參考物體K如何發生，亦即已經知道該自然過程的空時“程序”，藉助於純理論運算（亦即單憑計算），我們就能夠斷定這個已知自然過程從一個相對於K作加速運動的參考物體K'去觀察，是如何表現的，但是由於對字這個薪的參考物體K'而言存在著一個引力場，所以以上的考慮也告訴我們引力場如何影響所研究的過程。

例如，我們知道，相對於K（按照伽利略定律）作勻速直線運動的一個物體，它相對於作加速運動的參考物體K'（箱子）是在作加速運動的，一般還是在作曲線運動的。此種加速度或曲率相當於相對於K’存在的引力場對運動物體的影響。引力場以此種方式影響物體的運動是大家已經知道的，因此以上的考慮並沒有為我們提供任何本質上新的結果。

但是，如果我們對一道光線進行類似的考慮就得到一個新的具有基本重要性的結果。相對於伽利略參考物體K，這樣的一道光線是沿直線以速度c傳播的。不難證明，當我們相對於作加速運動的箱子（參考物體K'）來考察這同一道光線時，它的路線就不再是一條直線。由此我們得出結論，光線在引力場中一般沿曲線傳播。這個結果在兩個方面具有重要意義。

首先這個結果可以同實際比較，雖然對這個問題的詳細研究表明，按照廣義相對論，光線穿過我們在實踐中能夠加以利用的引力場時，只有極其微小的曲率；但是，以掠入射方式經過太陽的光線，其曲率的估計值達到1。7〃這應該以下述方式表現出來。從地球上觀察，某些恆星看來是在太陽的鄰近處，因此這些恆星能夠在日全食時加以觀測。這些恆星當日全食時在天空的視位置與它們當太陽位於天空的其他部位時的視位置相比較應該偏離太陽，偏離的數值如上所示。檢驗這個推斷正確與否是一個極其重要的問題，希望天文學家能夠早日予以解決。

其次，我們的結果表明，按照廣義相對論，我們時常提到的作為狹義相對淪中兩個基本假定之一的真空中光速恆定定律，就不能彼認為具有無限的有效性，光線的彎曲只有在光的傳播速度隨位置而改變時才能發生。我們或許會想，由於這種情況，狹義相對論以及隨之整個相對論，都要化力灰燼了。但實際上並不是這樣，我們只能作這樣的結論：不能認為狹義相對論的有效性是無止境的；只有在我們能夠不考慮引力場對現象（例如光的現象）的影響時，狹義相對論的結果才能成立。

由於反對相對論的人時常說狹義相對論被廣義相對論推翻了，因此用一個適當的比方來把這個問題的實質弄得更清楚些也許是允當的。在電動力學發展前，靜電學定律被看作是電學定律。現在我們知道，只有在電質量相互之間井相對於座標系完全保持靜止的情況下（這種情況是永遠不會嚴格實現的），才能夠從靜電學的考慮出發正確地推匯出電場。我們是否可以說，由於這個理由，靜電學被電動力學的麥克斯韋場方程推翻了呢？絕對不可以。靜電學作為一個極限情況包含在電動力學中；在場不隨時間而改變的情況下，電動力學的定律就直接得出靜電學的定律。任何物理理論都不會獲得比這更好的命運了，即一個理論本身指出創立一個更力全面的理論的道路，而在這個更為全面的理論中，原來的理論作為一個極限情況繼續存在下去。

在剛才討論的關於光的傳播的例子中，我們已經看到，廣義相對論使我們能夠從理論上推導引力場對自然過程的程序的影響，這些自然過程的定律在沒有引力場時是已知的。但是，廣義相對論對其解決提供了鑰匙的最令人注意的問題乃是關於對引力場本身所滿足的定律的研究，讓我們對此稍微考慮一下。