繼1905年創立狹義相對論之后,1915年,愛因斯坦初步完成了廣義相對論的理論建構。廣義相對論創立之時,理論物理學家玻恩曾評價其是“認識自然的人類思維最偉大的成就,哲學的深奧、物理學的洞察力和數學的技巧最驚人的結合”。廣義相對論深化了人們對物質與時空的認識,對物理學、宇宙學乃至哲學的發展產生了深遠影響。今年時值廣義相對論創立100周年,學界積極回顧這一人類偉大成就,探討其如何推動思想與知識的進步。
實現自然定律的普遍有效性
在狹義相對論中,愛因斯坦提出光速不變與相對性原理。然而,在他看來,狹義相對論并沒有實現自然定律的普遍有效性,慣性系中的絕對加速度使物理學關于引力的理解陷入循環論證:“如果有一物體離開別的物體都足夠遠,那么,它運動起來就沒有加速度,而只是由于它運動起來沒有加速度這一事實,我們才知道它離開別的物體是足夠遠的。”
愛因斯坦提出質疑:相對論這一自然定律是否只局限于慣性系?一個自伽利略時代就已澄清的事實——自由落體的加速度與物體的重量無關,重新進入愛因斯坦的視野。愛因斯坦抓住這一科學事實背后的意義,立足于“在引力場中一切物體都具有同一加速度”這一實驗事實,將經典力學中“引力質量等同慣性質量”這一線索上升到等效性原理的高度,從而為相對性原理擴展至非慣性系提供了可能。
“廣義相對性原理的確立,解決了自然定律能夠應用于一切坐標系的問題,深化了對引力本質的揭示,推動了宇宙學說的發展。”上海社會科學院研究員成素梅表示,廣義相對論對我們認識物質、運動、空間和時間之間的內在關系具有重要的理論意義。
廣義相對論為現代宇宙學、天體物理學的研究提供了理論工具。愛因斯坦于1917年發表的《根據廣義相對論對宇宙學所作的考查》一文,被認為是現代宇宙學的開端,在這篇文章中,他提出了一個靜態的、均勻的、有限但無邊的宇宙模型。基于廣義相對論所預言的引力場內的時間膨脹、譜線紅移、光線彎曲、行星軌道近日點運動等現象,此后都被觀測和實驗所驗證。