在1905奇迹年之后,爱因斯坦没有停下他探索世界奥秘的脚步。在提出狭义相对论以后,他认为狭义相对论的理论还不够完美。第一,狭义相对论仍然无法定义“惯性参照系”;第二,狭义相对论尽管联通了时间和空间的关系,但无法把经典力学中万有引力的部分纳入理论体系,力学理论并没有完成全面的更新。
在1907年时,他在论文中提到了“等效原理”,即一个观察者无法确定自己是身处一个引力场中,还是身处一个加速运动的空间中。爱因斯坦提出了著名的“封闭箱”模型,这一点我们在生活中也能观察到。
如果你坐在车上,车加速启动,这时候你会感觉自己被“压”在了椅背上,其实这一力学现象,和你背后出现了一个万有引力源是一样的。
假设你并不是身处在公路上行驶的汽车,而是身处一艘太空中的宇宙飞船,并且飞船的窗户全部封闭起来,原本你是失重的,在飞船里自由地飘着,这时候你突然感觉自己被“压”在了椅背上。如果不给你看飞船的仪表,你并不能区分自己这种感觉究竟是来源于飞船突然加速,还是飞船后方有一个星球吸引着你。
在1915年和1916年的论文中,爱因斯坦逐步解决了广义相对论中的基本问题,并且提出“广义相对论”这个名字。
在广义相对论中,爱因斯坦把万有引力解释为时空弯曲。至此,人类历史上第一个把时间、空间、物质、能量等内容全部连通的物理学理论诞生了。
相对论是符合麦克斯韦的电磁理论的(并不会像经典力学那样产生关于光速的悖论),它让人类的物理学理论朝着统一的路又迈出了一大步。
爱因斯坦自己也高度评价了广义相对论,他说:“就算我不发表狭义相对论,5年内也会有人研究出来,但如果我不发表广义相对论,50年之内也不会有人发表。”
他并没有夸张,狭义相对论的出现借助了当时大量科学家的研究成果,并且洛伦兹等科学家的成果已经比较接近狭义相对论,但是广义相对论非常超前,爱因斯坦的贡献是前无古人的。
可惜当时的科学界仍被旧的思想观念束缚,对爱因斯坦提出的如此新颖的理论与概念仍然带有一些质疑。1922年,瑞典皇家科学院在授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖时,给出的颁奖理由是“由于他提出了光电效应方程,以及其他对物理学理论的贡献”,却未提及相对论[47]。
也许你会疑惑,相对论的内容如此晦涩,它究竟有什么用呢?其实,这个理论并不仅仅是在科学认知上让人类向前推进了一大步,在生产生活中,也起到了很大的作用。
我们前文说过,根据狭义相对论,高速运动的参照物上测量的时间会有所变化,而依据广义相对论,引力会弯曲时空。这种影响在我们身边的低速度、引力变化不大的场景下,会非常微弱,用牛顿力学足以解决我们身边的问题,但是那些在天上运行的人造卫星,它们因为速度和引力变化引发的技术问题就需要使用相对论来进行修正。
飞机、轮船、车辆使用的导航,是依据卫星(北斗导航卫星、GPS导航卫星等)发射的信号来进行定位的。每个导航卫星时速上万千米,由于狭义相对论效应,卫星上搭载的原子钟每天比地球上的钟慢7微秒。另一方面,导航卫星位于距离地面大约20000千米的太空中,卫星上的原子钟和在地球表面的原子钟受到的万有引力大小有较大差异,这使得卫星上的时钟每天要快几十微秒。二者综合后,卫星上的原子钟每天都会快几十微秒。一微秒是一秒的一千分之一,这个差异看似非常细微,但如果不加以修正,它带来的定位误差每天都会累积10千米,这将酿成难以想象的灾难。