事实表明,广义相对论并没有彻底抛弃牛顿力学,而是以扬弃的方式保留着牛顿的力学理论。从相对论中能推导出牛顿力学,相对论又能给出牛顿力学所没有的东西。广义相对论较之于牛顿力学,是一种更全面、更精确,因而也更科学的理论,牛顿力学只是广义相对论的一级近似。
至于说广义相对论用几何代替力学,用数学代替物理学,其中还充满了哲学思辨,这就不能怪爱因斯坦了。自然界本来就是一个具有多种性质的有机整体,人们为了研究的方便,把它的某一方面从有机整体中割裂出来作为自己的研究对象,最后忘记了这一对象只有在其总体联系中才是有意义的,反而以“局部的观点”来反对从总体的有机联系上来把握客观世界的科学,这就只能怪他们自己的形而上学局限性了。
广义相对论的创立表明,高度的理论思维能力对于重大的科学发现是何等的重要,为什么许多大科学家往往同时也是大哲学家、大思想家?其共同的基础就是由于他们都是思维能力特别强的人。
两条推论
第一个推论:光谱线的引力红移。物理学界都知道,在高温下,每一种气态的化学元素会辐射出几种一定频率的光线。分析恒星的化学成分,就是利用对恒星所发出的光进行光谱分析的办法。有什么样的光谱线,就有什么样的元素存在。根据广义相对论,引力场会使时钟变慢,因此在原子中,电子的振荡频率变低,辐射出的光的频率也随着变低。所以,引力场很强的恒星发出的光谱线,应该向低频端,也就是向红端移动,这就是所谓的引力红移现象。
第二个推论:引力场会使光线偏转。爱因斯坦通过计算于1911年就曾预言,从远处的恒星所发出来的光线,如果掠过太阳表面,光线会偏转0.83秒的角度。后来,他于1915年纠正了自己的错误,提出应是1.7秒。
3.理论的证实及其意义
早在爱因斯坦于1911年提出光线掠过太阳表面会发生0.83秒的偏转时,柏林的天文学家弗劳因德利希就决定去验证这一推论了。
怎么验证呢?在白天强烈的太阳光下根本看不到星星。晚上可以看到星星,可是太阳又早落山了。怎样才能在有太阳的时候看到星光呢?只有日全食的时候,月亮遮住太阳,刹那间,仿佛夜幕降临一样,这时就能看到紧挨着太阳的星光了。1914年8月,在俄国的克里米亚半岛可以看到日全食。于是弗劳因德利希就率领观测队奔赴克里米亚。不巧,弗劳因德利希率领的观测队刚到俄国,第一次世界大战就爆发了。他们不仅未能去观察日全食,还被抓了起来,直到后来交换战俘才被遣送回柏林。
然而,科学的进步是任何人都阻挡不了的。弗劳因德利希的验证遇到挫折后,当天文学界告知1919年在巴西北部的索布拉尔和几内亚的普林西比岛可以观察到日全食时,英国皇家天文学会于1917年3月召开紧急会议,通过决议立即组织委员会筹备1919年的日全食观测。
1919年2月,英国组织了两支伟大的远征队分赴两个观测点,其中一支由英国伟大的天文学家阿瑟·爱丁顿爵士亲自带队。像一首进入未知世界的伟大史诗,像一次扣人心弦的探险,不是去寻找财宝,也不是为了了解那里的风土人情,完全是凭着对一个伟大科学家的信赖,因为他详尽地阐述了一种大胆的理论,而且仅仅是依靠他的科学推理获得的。他从纯粹的思维领域里大胆地断言:从远处的恒星所发出来的光线掠过太阳表面时,会发生1.7秒这样大角度的偏转(后来他经计算得到这个数字,纠正了他于1911年得到的0.83秒的数字),而按照牛顿的引力理论应当是0.87秒。
科学家们深知,这不单是对一位科学家的一种推测的验证,究竟是0.87秒,还是1.7秒,是关系到两个引力定律,两种物理世界图像哪个更精确的问题,它关系到两个科学时代!
爱丁顿爵士率领的远征队提前一个月到达普林西比岛,然而直到最后一分钟,他们却几乎什么东西也没有得到。爱丁顿爵士清楚地记得,那天的黎明是在阴云密布中到来的。当接近日全食时,黑暗的月轮周围围绕着光环,浮现出云层,就像人们经常在看不见星星的夜晚所看到的那样。“没说的,按照原计划进行,但愿结果美好”。一个奇怪的、鬼魂似的、半明半暗的光环笼罩住了地球。观察场上死一般的寂静——撕破它的只有蟋蟀的呜叫声、换底片暗匣的咔嚓声和挥霍珍贵的几秒钟节拍器时的滴答声。这时,突然一束闪光出现在看不见的太阳的上方,在太阳的表面几亿公里上空持续飘浮。普林西比岛上的观测队员们没有时间去欣赏这奇异的太空景象,他们急切地期待着实验成功。
天空的云层越来越厚,仿佛存心要与观测队作对,不让人们照到爱因斯坦所料定的情况似的。第一张照片上没有一颗星星的影子,然而在2~20秒的时间内,大约拍了16张照片。接近日全食结束时,云层消失了,最后几张照片倒很清楚。在许多照片中,有一个或几个非常重要的星星没有照上。但是,有一张底片终于成功了:五颗星星的光照在底板上,这样就足以证实或证伪爱因斯坦的理论。
细心地检验带回来的结果。把从索布拉尔带回的照片与格林尼治观测台的照片加以比较,经过反复验证计算.终于得出,光线偏转的角度是1.64秒。与爱因斯坦推断的1.7秒更接近。
1952年2月,芝加哥大学组织了一支新的远征队,旨在进一步证实已被人们接受了的实验。他们在喀土穆拍摄了日全食时见到的星星的照片。他们的实验结果比由索布拉尔和普林西比得到的更精确,也更接近爱因斯坦用理论计算出的数字:光线偏移角度为1.7秒。
1919年11月初,在英国皇家物理学会和皇家天文学会举行的一次重要的联席会议上,在热烈而紧张的气氛中,他们公布了两个队的观测的结果。皇家学会主席汤姆逊宣布爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一。他说,这不是发现一个孤岛,而是发现了整个新的科学思想的新大陆。这是牛顿首先阐明万有引力原理以来所做的和引力相关的最伟大的发现。尽管在当时,爱因斯坦的理论对于一般人来说还是深不可测的,就是高度赞扬了它的、作为这次会议主席的那位英国物理学界的权威就坦白地说:“我不得不承认,到目前为止,还没有一个人能用简单的语言向我讲述爱因斯坦的理论实际描述的内容。”然而,这件事本身却以其重大的意义在某些方面震撼了整个世界科学界,震动了每一个人。
“人类思想史上最大的成就之一”,汤姆逊的评价是公允的。广义相对论确是人类认识自然界的历史上的一次巨大的飞跃。无论怎么评价它,都不会过高。难怪最不爱说话的英国物理学家、诺贝尔奖金获得者、相对论量子力学的创始人狄拉克也说:“广义相对论电许是人类曾经作出过的最伟大的科学发现。”直到1955年,世界著名物理学家玻恩在报告中还曾讲道:“对于广义相对论的提出,我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果,它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”只要熊站到这样高度来理解爱因斯坦作出的新贡献,对在千年之交人们评选最伟大的思想家时,他能得票率高居第二名,应该是名至实归的了。爱因斯坦本人当然更清楚自己所创立的新理论的意义,所以他也一直把广义相对论看作是自己毕生最重要的科学成就。为此,他对自己后来不是因此,而是由于光量子方面的成就获得诺贝尔物理学奖还很不以为然。
爱因斯坦在广义相对论中阐明了引力的几何学理论,这是自然科学史上最伟大的理论成就之一,它使整个物理学的理论基础大为单一化。广义相对论是数学与自然科学之间相互有效结合的光辉范例,它用数学公式精确地表达了物理问题,既促进了数学的发展,又推动了物理学研究的深入。广义相对论还具体勾画出了欧几里德几何学和牛顿引力理论的适用范围,证明这两个学说是物质世界在特殊情况下的图像。爱因斯坦提出的引力学说和运动规律反映了凌驾于它们之上的更为普遍的自然规律。
广义相对论的成果在哲学上也有十分重要的意义。过去,人们或者从牛顿形而上学的机械观出发,或者从日常的经验出发,把空间和时间看作是互相独立存在的东西,而康德则把它们看作是人们认识世界时所固有的一种纯形式。广义相对论的创立,就使辩证唯物主义长期以来所主张的、自然科学始终尚未提供证明的论点得到了验证,这就是空间和时间都是运动着的物质的“存在形式”,不仅它们与物质不能分,它们相互之间也是密不可分的。爱因斯坦有一次在向一位记者半开玩笑地解释相对论的重要成果时就突出地强调了这一点:如果所有的东西都从世界中远离出去的话,人们在过去就会认为残留下来的便是空间和时间。那么,现在人们知道了单独的空间和时间根本不存在。物质、运动、空间和时间不可分割的关系,除此之外,大概不再能更加简单明了地表达出来了。
广义相对论的研究和创立还有一个极为重要的意义,这就是对爱因斯坦本人思想认识发展所产生的深刻影响。
如果说,在早期,爱因斯坦在受休谟、马赫、斯宾诺莎、亥尔姆霍兹、彭加勒等哲学家和自然科学家的复杂影响与自己自发唯物主义倾向的作用下,主要表现为一种以唯物论的经验论为主伴有潜在的唯理论的混合物的话,在研究并创立狭义相对论之后,其中潜在的唯理论的因素已大大膨胀,如他在回忆中谈到:“早在1900年以后不久……渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力得愈久,就愈加绝望,也就愈加确信,只有发现一个普遍的形式原理,才能使我们得到可靠的结果。”而通过广义相对论的研究,理性主义因素又进一步突出出来。他通过广义相对论的创立,领悟出正确思维的可靠性与力量,看出了概念与理论与经验材料之间常有的非逻辑关系,看到了概念构造的普遍性。一句话,由于广义相对论是一种空前抽象的物理学理论,作为广义相对论的创立者,爱因斯坦比任何其他的自然科学家都更早、更深刻地领悟到广义相对论远离经验事实的构造性质以及在创立理论时人类想像与思维的巨大作用,更早地看出马赫哲学的狭隘经验论性质,看到这种哲学的弊端和局限性,从而使自己的哲学认识论完成了以唯物主义经验论为主要特征向以唯物主义唯理论为主要特征的飞跃,使广义相对论的创立不仅成为他科学研究道路上的丰碑,也成了他哲学思想发展道路上的一个重要里程碑和转折点。对此,爱因斯坦本人在1938年回顾自己的哲学思想的历程时就曾明确指出,自己从有点像马赫的那种怀疑论的经验论出发,经过引力问题,转变成一个信仰唯理论的人。“成为一个到数学的简单性中去寻求真理的惟一可靠源泉的人”。
爱因斯坦思想上的这一重大转折首先表现在他对马赫的经验论的批判上。1917年春天,他在给挚友贝索的信中,在提到他的一位老同学弗里德里希-阿德勒时写道:“他骑着马赫那匹可怜的马,搞得精疲力竭。”同年5月,他在给贝索的信中更进一步指出:“我不曾谴责马赫的小马。但你知道我是怎样想它的。它不可能产生出任何有生命的东西,‘它只能消灭有害的虫豸’。”与对经验主义的批判相一致的就是他对理性力量的颂扬:“在某种意义上讲,我认为像古老人所梦想的,纯粹的思维能够掌握实在,这种看法是正确的。”可以说,这也是在研究广义相对论过程中始终支配着他的一种信念。而这种信念,在他越到后来就越是坚定。1931年10月4日,爱因斯坦在柏林天文馆讲课时就强调指出:“要创立一门理论,仅仅收集一下记录在案的现象是远远不够的,还必须有深入事物本质的大胆的、创造性的思维能力。因此,物理学家不应该仅仅满足于研究那些从属于事物现象的表面因素,相反,他应该进而采取推理的方法,探索事物的根本实质。”1952年12月8日,在布朗大学学哲学的一位大学生给爱因斯坦写了一封热情洋溢的长信,滔滔不绝地表白自己如何从记忆所及的时刻起就一直狂热地崇拜爱因斯坦。长期以来爱因斯坦的一切,不管是他的理论观点,还是他的人格,都使他五体投地。他希望爱因斯坦能给他回一封信,信中能包括一个不管什么样的信息。1952年12月9日,爱因斯坦给他复信也特别鲜明地表达了他的唯理论倾向。他写道:“对于一个为了发现一点真理而奋斗终生的人来说,如果他能亲眼看到别人真正理解并喜欢他的工作,那他就得到了最美好的报偿。因此我对你的称赞之词不胜感激。我空暇不多,只能写上短短的几句赠送给你——诚然,没有经验基础就很难发现真理。但是,如果我们探索得愈是深入,我们的理论所包罗的范围变得愈是广大,那么,在决定这些理论时,经验知识所发挥的作用就愈小。”
爱因斯坦广义相对论的研究和创立,在思想上经历了由唯物主义经验论向唯物主义唯理论的转变还突出地表现在他对理论评判的标准的看法上。看一种理论的正确与否,他并不过分依赖直接的经验事实,而是更注重于普遍性原理。狭义相对论创立不久,考夫曼于1906年提出,他的高速电子荷质比实验有利于亚伯拉罕的电子模型理论而不利于爱因斯坦的狭义相对论。
面对这样严重的挑战,爱因斯坦处之泰然。一方面固然是出于他的高度的科学道德情操,因为在他看来,对真理的追求比对真理的占有更为可贵。另一方面也是出于爱因斯坦对普遍原理的信任更甚于对个别实验事实的信任。在广义相对论创立之后,爱因斯坦又基于对普遍原理的高度信任而对广义相对论的正确性充满了自信心,在不同的场合反复强调了这样的意思,“现在,我非常满意,不管对日食的观测成功与否,我对整个体系的正确性已经不再怀疑。这件事的道理太明显了”。