广义相对论运用了大量的黎曼几何、张量计算、绝对微分等艰深的数学知识,充满了深邃的哲学思辨,包含着崭新的物理内容,就是高级研究人员要弄懂它,也非花大气力不可,一般人自不待言。对于爱因斯坦同时代的人来说,具有这些知识的人寥寥无几。但是,由于广义相对论的预言不久得到了实验验证,所以,还是引起了相当大的轰动。
广义相对论的实验证据,当时有三个。
其一是水星近日点的进动。水星是距太阳最近的一颗行星。按照行星运动规律,水星的公转轨道应该是一个封闭的椭圆形。但是实际上,水星的公转轨道并不是一个严格的椭圆,而是每公转一圈,它的长轴也略有转动。长轴的转动,就称为进动。水星在离太阳最近的地方,发生了明显的进动,这就是所谓的水星近日点的进动。早在1859年,法国天文学家勒维耶就发现了这一现象,他认为,进动的原因是水星轨道内,有一个未知的行星或行星群存在。实际上,后来的天文观测表明,水星周围并不存在这样一个未知的行星或行星群。
直到1915年,爱因斯坦提出了引力理论,才圆满地解释了水星近日点的进动,解开了这个长期使人困惑不解的疑团。原来,水星轨道异常的原因,是太阳导致的时空畸变而造成的。
其二是光线的引力红移。由于引力作用,从大质量的星球射到我们这里的光线,它的谱线移向光谱红端,即所谓光的引力红移。1924年,天文学家亚当斯,通过对天狼星的伴星进行观察,证实了这一预言。
其三是引力场使光线弯曲。这一实验检验,颇有戏剧性。在这里,我们重点介绍一下。
为了证实爱因斯坦在1911年论文中的这个预言,德国天文学家组成了一支考察队,于1914年前往俄国克里木半岛,想在日全食时进行观察。不幸的是,第一次世界大战恰恰爆发,考察队人员全被俄国人当作战俘扣留了。“塞翁失马,焉知非福”,这一不幸,对广义相对论的验证倒是一件幸事。假使这次观察成功的话,很可能会比爱因斯坦的预言值大一倍,因为他当时的计算有错误。
大战期间,交战国之间的邮路中断,通过中立国荷兰天文学家的介绍,爱因斯坦1915年的论文传到英国,引起英国天文学家爱丁顿的极大关注和浓厚兴趣。他在1918年发表文章指出,广义相对论引起了物理学、天文学和哲学的重大变革,这是一场影响深远的革命。
第一次世界大战刚刚结束后的1919年,英国皇家天文学会立即派出了两支考察队。一支前往巴西北部的索布拉尔,一支由爱丁顿率领,前往西非几内亚湾的普林西比岛。他们要在日全食时,观察星光经过太阳的偏离。在两地观察的结果,都在误差允许的范围内,而且都与爱因斯坦的预言相当符合。
1919年11月6日,这些结果被提交英国皇家学会与英国皇家天文学会联席会议。会议气氛与平时大不一样,听众怀着强烈的兴趣,犹如欣赏一出希腊戏剧。主持会议的是1906年诺贝尔物理学奖获得者,著名物理学家J.J.汤姆孙。他说:“这是自牛顿以来,万有引力理论的一项最重要成就。”“它不是发现一个外围岛屿,而是发现整个科学新思想的大陆。”“爱因斯坦的预言,是人类思想的一大凯歌。”
11月28日,英国的权威报刊《泰晤士报》,以“科学的革命,宇宙引力的新理论”为题,做了报道,这立即震撼了欧洲乃至世界,引起了一股“相对论热”,爱因斯坦也随之名扬四海。他的照片开始刊登在画报的封面,他的名字出现于报头标题,人们异口同声地称他为“20 世纪的牛顿”。爱因斯坦向来把荣誉视为累赘,他甚至觉得相对论热是“赶时髦”。
爱因斯坦的声誉,招来了纳粹分子和排犹分子的忌恨,他们于1920年8月24日,在柏林音乐厅召开了批判相对论的大会,极尽攻击谩骂之能事。
27日爱因斯坦在《柏林日报》发表声明,对“反相对论公司”作了公开答复。他一针见血地指出,这个“杂七杂八的团体”的动机“并不是追求真理的愿望”。
爱因斯坦也“厌恶为相对论大叫大嚷”,他表示:“夸张的言辞使我感到肉麻。”他多次表示,不愿做头顶花环的象征性的领头羊,只愿做淳朴羊群中的一只普通羊。物理学家劳厄,曾在一本介绍广义相对论的著作中说:“许多人赞扬,也有许多人反对。值得注意的是,无论在这一方或另一方,那些叫得最响的人,几乎一点也不理解它。”
相对论被人们接受和理解,是一个缓慢而艰难的过程,劳厄的经历很能说明问题。劳厄是相对论最早的信徒和倡导者,1959年10月23日他在写给爱因斯坦的继女玛格特小姐的信中承认,在爱因斯坦1905年的论文发表以后,“一种新境界缓慢地、却是稳步地呈现在我的面前。我为此而耗费了巨大的精力……特别是认识论上的障碍使我十分困惑。我觉得只是大约从 1950年起,才排除了这些障碍”。劳厄在他自己撰写的《物理学史》中也说过:“广义相对论,对我同许多其他人一样,比狭义相对论要伤脑筋得多;实际上我在1950年前后,才真正掌握了广义相对论。”
借助广义相对论的成果,爱因斯坦在1916年做出了引力波的预言,并尝试用它来考察宇宙学问题。1917年,他在《普鲁士科学院会议报告》中,发表了论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。这篇论文是宇宙学的开创性论文,直接导致了宇宙学这一新的科学研究领域的确立。
爱因斯坦认为,传统的宇宙在空间上无限的观念,既与牛顿理论相矛盾,也与广义相对论相矛盾。为了避免在无限远处,给广义相对论设立边界条件的困难,他提出有限无界的宇宙模型。由于爱因斯坦在场方程中添加了一个常数项,因此他的宇宙模型是静态的。在这一点上,这个模型与1946年的宇宙大爆炸理论不同。不管怎样,爱因斯坦把对宇宙的研究,从猜测和思辨变为科学,成为现代宇宙学的奠基人。
爱因斯坦逝世以后,特别是20世纪60年代以来,不仅广义相对论的实验验证如雨后春笋,而且这一理论也成为相对论天体物理学、高能天体物理学和宇宙学的理论基础,展现出引人瞩目的前景。类星体、脉冲星、致密X 射线源、3K 宇宙微波背景辐射、黑洞、引力波等的发现和探测,大爆炸理论和各种宇宙模型的提出,就是很好的例证。时至今日,这一发展仍然是方兴未艾。