在当代物理学界,爱因斯坦无疑是群星中最耀眼的一颗。他不仅是现今的光辉,更将永载未来历史的璀璨星空。很难断言,他和牛顿谁更居功,但无可否认,他们的伟大堪比天际。我本人倾向于认为,爱因斯坦可能更胜一筹,因为他的科学贡献深深地渗透进了人类的智识之中。
牛顿提出的相对性原理指出:
在一参照系内,物体运动遵从牛顿运动定律,换到相对于该系作匀速直线运动的任一新参照系中,物体运动仍遵循牛顿运动定律。
言下之意,一个物体的匀速直线运动并不会引起任何可观测的力学效应。
空间不过是我们用来描述物体相对位置的工具,若空间中并无物质,那么空间本身便失去了意义。
1860年,麦克斯韦总结了电磁现象的规律,提出了著名的麦克斯韦方程组,为经典电磁理论奠定了基础。随后,洛伦兹探究电磁现象是否符合牛顿的相对性原理,结果显示,麦克斯韦方程组并不具有伽利略变换的协变性。例如,光在真空中的速度c是恒定的,与光源或观察者的运动方向无关,也与所选的惯性系无关。这就表明,在牛顿的绝对时空观以及伽利略变换下的电磁学并不满足相对性原理。
爱因斯坦的狭义相对性原理则认为:
所有惯性参照系的地位平等,也就是说,所有基本的物理规律(不包括重力)在任何惯性系中具有相同的数学形式。
而光速不变原理告诉我们:
在任何惯性系中,真空中的光速保持不变。
关于宇宙空间的有限或无限问题,爱因斯坦并未给出直接解答,因为整个宇宙本身并非我们直接经验的对象,我们无法想象空间的边界,也无法想象无边无际的空间。
只有那些符合狭义相对性原理的物理规律才是正确的,而牛顿引力理论并不满足这一原理,这表明它并非完备的引力理论。不仅是牛顿力学,连同电磁理论等物理规律,都仅在惯性系内有效,一旦进入非惯性系,它们便不再成立。换言之,对于物理规律而言,惯性系和非惯性系并不对等,这表明狭义相对性原理有其局限之处。因此,爱因斯坦将狭义相对性原理推广到所有参照系,由此奠定了广义相对论的基础,涵盖了时间、空间和引力。
在日常经验里,时间和空间的概念看似清晰明了,然而一旦置于深奥科学的显微镜下,它们似乎充满了悖论,所有逻辑推理都似乎缠绕着矛盾的乱麻。
等效原理指出:
一个均匀的引力场与一个作匀加速运动的参照系是等价的,这意味着引力质量与惯性质量,引力与惯性力都是等价的。
广义相对性原理则认为:
所有参照系,无论是惯性还是非惯性系,在描述自然规律时都同样有效。这意味着所有的物理规律可以用与参照系无关的量来表示,用几何的语言来说,就是任何在物理规律中出现的时空量,都应由该时空的度规或其他导出量来描述。
爱因斯坦的狭义和广义相对论不仅打开了人类思维的新领域,直接或间接催生了量子力学的诞生,而且将统一场论的难题留待未来的探索。无论如何,他的思想和他的理论一样,已在人类历史长河中留下了不可磨灭的印记。