世界现代前期科技史-第13部分
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1919年的观测是一次轰动全世界的科学观测，爱因斯坦预言被证实的消
息使他一夜之间成为全球的著名人物，也极大地引起人们对广义相对论的重
视和兴趣。爱因斯坦创立的这样一种理论不仅能解释人们长期以来无法解释
的实验事实，而且能预言非同寻常的未知现象，不能不让人惊叹其巨大的成
功。
③引力红移 （光谱线的红向移动）的实验验证
水星近日点的进动差值和光线在引力场中的偏折从不同角度反映了引力
场对空间的影响，特别是后者，它表明了以有限速度传播的一切物理现象在
引力场的强制下进入局部弯曲的路径。这种现象描述的不是光的什么新的性
质，而是有物质分布的空间所具有的未被人们认识到的性质，即有物质分布
的空间本身弯曲的性质。这种性质使原来是直线的现象都要强制纳入弯曲的
轨道。
引力红移是广义相对论预言的另一个效应，体现了引力场对时间（频率）
的影响。广义相对论的理论指出，光线在稳定引力场中传播时，频率要发生
改变，从引力场强的地方向引力场弱的地方传播，光子频率将变小，相应的
波长将增加，谱线红移。这种引力红移也称相对论红移。
1925年，美国天文学家亚当斯（1876—1956）通过对天狼星伴星的观测
首先验证了相对论红移。天狼星伴星与白矮星相似，是一颗密度很大的星体。
它的强引力场引起的引力红移量要比太阳引力场的强得多。
列布卡和庞德还通过地球引力场中的穆斯堡尔效应，验证相对论红移。
他们利用一种人造同位素冷却后发出单一频率的射线，使射线逆着地球引力
场前进，并通过分析器测定其频率的变化。观测结果与广义相对论的理论推
断完全一致。
广义相对论的实验验证还有雷达回波延迟，行星自转轴的进动等。广义
相对论还预言，加速运动的质量如加速运动的电荷激发电磁波一样将激发引
力波。但是引力波非常微弱，在目前的实验条件下是很难探测到的。世界上
的许多研究组为探测引力波而努力，1969年和1978年曾有两次探测到引力
波的实验报道，但因为他们的实验结果没有能被重复获得，均未得到公认。
因此，引力波探测目前仍是广义相对论实验研究的一项重要课题。
广义相对论是爱因斯坦在一种哲学思想的指引下对狭义相对论的逻辑推
广，创立过程中，抽象和数学的思维分析的确发挥了巨大的作用，但是，广
义相对论并不是纯思辩的产物。爱因斯坦曾反驳过这种说法，“从来没有一
个真正有用的和深入的理论果真是由纯思辩去发现的，广义相对论的创立完
全由于要想使物理理论尽可能适应于观察到的事实。”这些事实有引力质量
和惯性质量的等价性，有实际上并不存在的惯性系以及惯性系概念循环定义
的问题等。而牛顿引力理论的成就及表现出的局限性，相对性原理的发展以
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及 1901年就已经相当成熟的非欧几何和张量分析方法等都为广义相对论发
展提供了坚实的基础。
广义相对论在哲学上的重要性还在于，验证了辩证唯物主义所主张的论
点：空间和时间都是运动着的物质的“存在形式”。
狭义相对论把时间、空间与物质的运动联系了起来，广义相对论则揭示
了时间、空间和物质分布的关系，把物质、运动、时间、空间进一步统一了
起来，把物体运动的物理本质和时间空间的几何描述统一了起来，这种现代
的时空理论从新的高度上否定了牛顿的绝对时空观。爱因斯坦曾向一位记者
开玩笑地解释了相对论的成果，他说，如果所有东西都从世界中远离出去的
话，人们过去会认为，残留下来的便是空间和时间；而现在，人们知道了单
独的时间和空间根本不存在。
1955年的国际相对论会议上，德国著名物理学家玻恩（1882—1970）说：
“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类思索大自然的最伟大
的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一
起。”
（3）统一场论和宇宙学理论的早期发展
①爱因斯坦与统一场论
爱因斯坦把相对论的发展分为三个阶段，即狭义相对论、广义相对论和
统一场论。爱因斯坦坚信相对性原理的普遍性，创立了狭义相对论，把经典
力学与电磁学理论统一了起来。广义相对论将相对性原理由惯性参考系进一
步扩大到任意参考系，并把牛顿引力理论作为一级近似包容其中，使物理学
的统一工作又取得了巨大进展。但是，已知的引力规律和电磁相互作用规律
没能统一起来。
爱因斯坦在创立了广义相对论之后，便着手研究统一场论，试图进一步
推广广义相对论把引力相互作用和电磁相互作用统一在一个理论体系中。广
义相对论的魅力促使不少科学家和爱因斯坦一起为创立统一场论而奋斗。他
们力图仿效黎曼几何描述引力场的成功作法。建立一种新的几何学，把各种
场统一起来，并使物理学与几何学统一起来。1918年，威尔试图用修改黎曼
几何的方法建立一种“规范不变几何学”来统一描述引力场和电磁场，1921
年卡鲁查采用将黎曼几何的四维增加为五维的方法来统一这两种场的作用，
但是，他们都失败了。
爱因斯坦最初设法推广卡鲁查的工作，但未成功，后来和他的学生柏格
曼一起提出了一种不对称场论，这是爱因斯坦的最后一个统一场论模型。在
此模型中，他试图用度规张量来统一描写两种作用，即用度规张量的对称部
分描写引力场，不对称部分描写电磁场，但是，得到的方程无法求解。爱因
斯坦去世之后，统一场论的研究几起几落，议论纷呈。人们后来发现，宇宙
中不仅存在电磁和引力作用，还存在强相互作用和弱相互作用。必须先实现
电磁相互作用和弱相互作用的统一，然后再将强相互作用统一，最后才能把
引力相互作用统一起来。
50年代之后产生的规范场论，为统一场论的研究开辟了一条正确的途
径。人们首先提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论，并得到了实验
证实，现正在攻克电、弱、强三种作用的大统一，而且相信，包括引力作用
在内的四种相互作用的超统一理论最终是能够实现的。从1923年至1955年
去世前，爱因斯坦一直埋头研究统一场论，但由于当时历史条件的限制和缺
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乏建立统一场论所需要的基本经验事实，因此他最终未能实现其建立统一场
论的宏愿。爱因斯坦并不为他付出的代价而感到遗憾，他始终认为，他所做
的探索是有意义的，而统一场论的发展也证明了这一点。
②宇宙论的早期研究
牛顿由万有引力定律得出宇宙必定是无限的结论，即宇宙的图象是无数
的天体均匀地分布在无限的三维欧氏几何空间中，空间向各方向一直延伸下
去，没有一个方向是有终点的。1894年，德国物理学家西利格尔研究指出了
牛顿的宇宙理论所存在的“引力徉谬”问题：物质分布均匀的无限宇宙中，
牛顿的引力势不存在有限解；若物质分布不是严格均匀，那么，对每个星体
而言，各方向物质引力贡献的总和将是非常可观的，但实际情况不是这样。
1826年，奥尔勃斯分析指出，如果宇宙是充满无限数目的星体的欧几里
得宇宙，星体分布均匀而且过去未来都发光，那么将导致一条荒谬的结论：
白天和夜晚应该一样明亮。这就是所谓的“光度徉谬”也称“奥尔勃斯徉谬”。
以牛顿的万有引力规律和欧氏几何学为基础的宇宙模型是无法摆脱以上的两
个疑难的。
1917年，爱因斯坦将广义相对论引力场方程用于研究宇宙学问题，发表
了第一篇关于宇宙学的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考查》。文中，
他也分析了牛顿无限宇宙理论中的矛盾和不自洽。
牛顿经典力学在讨论一个有限力学体系的运动时，总是假定可以选取一
个参考系，使引力势在无限远处成为常数。在解决局部天体的运动问题时，
这个条件是非常关键的。但是，按照牛顿的无限宇宙图象，物质是均匀分布
在整个无限的空间中，那么，根据牛顿经典力学又将得出无限远处引力势不
为常数的结论，这就是一种矛盾。如果，放弃物质均匀分布于整个空间的假
设，认为物质主要集中在周围有限的范围，那么，可以保证无限远处的引力
势是常数，但物质的宇宙确仍然是有限的。所以，牛顿的引力理论在原则上
是无法描写宇宙这一物理体系的。
爱因斯坦利用广义相对论得出的引力场方程对宇宙体系进行了考察，并
提出了两个假定，一是各向同性的假定，即宇宙从大尺度上来看，在任何给
定的时刻，对各个方向观测的结果相同；另一是均匀性的假定，即宇宙从大
尺度上看，天体的分布是均匀的，星系的平均密度、光度和相互间的距离都
是一样的。这两个假定也称宇宙学原理。根据这一原理，他由引力场方程得
出了一个静态的宇宙解，即物质在宇宙中总的分布不随时间变化的解，这个
解表明，宇宙是闭合的、有限的，但又是无边的。这个宇宙模型虽然简单，
而且后来的星系远离运动的观测事实也表明宇宙这个物理体系不是静态的，
但它确是第一个科学的现代宇宙模型，为现代科学宇宙学的发展奠定了基
础。
同年，荷兰天文学家德西特由引力场方程得出另一个静态的宇宙解。该
解认为宇宙的物质有运动但平均密度趋于零。
1925年，苏联数学家弗里德曼由爱因斯坦的引力方程中得到一个非定态
解，但当时未引起人们的重视，1927年，比利时天文学家勒梅特把这种动态
时空解作为一个宇宙模型进行了考察，提出了弗里德曼一勒梅特宇宙模型和
大尺度的空间会随时间而膨胀的观点。
1929年，美国天文学家哈勃（1889—1953）在研究河外星系光谱红移中
发现，星系系统的退离速度与距离成正比，这表明，宇宙在膨胀，非静态宇
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宙模型获得观测证实。
爱因斯坦起初对弗里德曼等人的动态宇宙模型持怀疑态度，认为非定态
解是求解引力场方程时的数学错误所造成的，但在哈勃红移现象发现以后，
爱因斯坦收回了对弗里德曼的批评，承认了自己的错误，并万分感慨地说，
这是他“一生中最大的错事”。
1932年，勒梅特又在宇宙膨胀的基础上进一�
