還在1911年,愛因斯坦根據相對論預言,由於太陽的引力場作用,星光在接近太陽表麵時將發生偏轉,1915年,他又更精確地把偏轉角度更正為1.7秒角度。
怎樣才能檢驗愛因斯坦的預言呢?白天,陽光照耀,看不見星星,夜晚,星星出來了,太陽又下山了,隻有在日全食時,才有可能看到緊挨著太陽的星光。現在這個時刻來了。如果觀測的結果真的像愛因斯坦預言的那樣的話,那麼200多年以前,偉大的科學家牛頓所提出的萬有引力定律就必須修正了,難怪科學家們如此激動。
11月6日,英國皇家學會和皇家天文學會在倫敦舉行聯席會議,聽取兩支日食隊的正式報告。他們的觀測結果表明,星光在路過太陽附近時真的拐彎了,一個隊的觀測結果是偏轉了1.61±0.30秒,另一個隊的結果是偏轉了1.98±0.12秒,與愛因斯坦的預言相當吻合。
整個會場沸騰了。英國皇家學會會長、電子的發現者湯姆孫致詞,他說:“愛因斯坦的相對論是人類思想史上最偉大的成就之一……這不是發現了一個孤島,而是發現了新的科學思想的新大陸。”
這一評價毫不過分。愛因斯坦的相對論結束了牛頓經典物理學的統治,開創了現代物理學的新紀元。它從根本上改變了人們對空間、時間和宇宙的認識。相對論已成為現代物理學的兩大基石之一,對現代科學的發展產生了巨大的影響。
愛因斯坦是怎樣發現相對論的呢?
物理學上空的兩朵烏雲
19世紀末,在許多物理學家的眼中,物理學已發展到了登峰造極的地步,不會再有什麼大的突破了。在迎來20世紀第一個春天時,久負盛名的物理學家、英國的開爾文爵士在他的《新年獻辭》中就躊躇滿誌地宣布:“科學的大廈已經建成,後輩物理學家能做的僅僅是一些零星的修補工作”。
不過,開爾文畢竟是一位有眼力的科學家,他指出:“在物理學晴朗上空的遠處,還存在兩朵令人不安的小小烏雲。”他所指的兩朵烏雲與當時用經典物理學無法解釋的兩個實驗有關,一個是黑體輻射實驗,一個是邁克耳遜——莫雷實驗。
在開爾文的心目中,這兩朵烏雲很快就會散去,他完全沒有料到,竟是這兩朵小小的烏雲釀成了物理學上的大革命,前一個促成了量子論的誕生,後一個迎來了相對論的問世。
提起邁克爾遜——莫雷實驗,我們還要從尋找神秘的以太談起。
以太這個詞是古代希臘人創造的。他們認為天空和宇宙中充滿著以太。隨著元素說的興起,以太說漸為人們所淡忘。
17世紀,法國科學家笛卡爾把以太這個詞引到了物理學中。他認為宇宙空間充滿著以太,物體之間的相互作用就是通過以太為媒介傳遞的。
光的波動學說的成功使以太說更加興盛起來。聲波要靠空氣才能傳播,水波要靠水來傳播。
太陽光穿過宇宙空間照到地球上也要靠媒質來傳遞,這個媒質就是以太。
法拉第和麥克斯韋建立的電磁理論中又一次引入了以太,電磁波要靠以太來傳遞。
那麼以太究竟是什麼樣的呢?誰也沒有見過。科學家們賦予了以太種種奇特的性質:它是無色、透明、靜止的,充滿整個宇宙空間;由於光波是一種橫波,而隻有固體媒質才能傳播橫波,因此以太必須是固態的;行星在以太中運行,沒有受到任何影響,因此,以太是沒有任何質量和摩擦阻力的……這些性質本身就是相互矛盾的,看來以太簡直是太玄了。可是科學家們仍然不願意放棄以太,不僅因為它是光和電磁波傳播的媒質,而且因為它是牛頓絕對空間的化身。
牛頓認為,存在一個與外界事物無關,永遠相同和不動的絕對空間。宇宙萬物包括太陽係、銀河係等等都相對於這個絕對空間而運動。以太是靜止的,充滿了整個宇宙空間,它正是牛頓絕對空間的化身。
物理學家們做了種種實驗和天文觀測,想要驗證以太的存在,並確定它的屬性,但是都沒有能夠得到確切的結論。
邁克爾遜實驗引起的風波
1879年3月,在美國航海曆書局進行合作研究的美國年輕物理學家邁克爾遜偶然看到了麥克斯韋寫來的一封信。信中提到的測量地球相對以太運動的想法給了他很大啟示。邁克爾遜想出一個巧妙的辦法來測定地球相對於以太的運動:既然地球繞著太陽以每秒約30公裏的速度運轉,那麼朝地球運動的方向和與它垂直方向同時各射出一束光,從離光源相同距離的反射體反射回來,前者走過的路程將比後者短一些,兩束光相遇應當形成幹涉條紋。邁克爾遜用他發明的幹涉儀做了多次實驗,始終沒有看到他預期的幹涉條紋。