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广义相对论的思想起源
在狭义相对论中,自然定律在所有的惯性系中都保持着不变的形式。然而,这种理论却依然留下了两个疑难:l)引力定律不能被纳人狭义相对论的体系之中;2)惯性系不是宇宙中的真实存在。这两大疑难被爱因斯坦描述为狭义相对论“固有的认识论上的缺陷”。毫无疑问,这些缺陷构成了广义相对论的“科学问题”。
第一节马赫和马赫原理
尽管狭义相对论完全废除了以太概念,即电磁运动的绝对空间,但却仍然没有对经典力学把绝对空间当作世界的绝对惯性结构的理由做出解释,也没有为具有绝对惯性结构的力学提供新的替换。也就是说,惯性系的存在,对于力学和电磁学都是必不可少的。
狭义相对论紧紧地依赖于惯性参考系。它们在自然界中确立了“特权阶级”。它们是一切非加速度的标准;它们使一切物理定律的形式表达实现了最简化。惯性系的这种特权在很长时间里保持着一种神秘性。广义相对论阐明了这种“特权”的局限性。
经常有人说,为了满足狭义相对论而修改牛顿引力(平方反比)理论的失败,导致了广义相对论的兴起。的确,广义相对论是现代引力理论。如果不是日常计算实践的需要的话,在原理上它已经取代了牛顿的引力理论。不过,有一点很清楚,爱因斯坦是出于一种哲学欲望才把绝对空间彻底地从物理学中清除出去的。自一开始,狭义相对论就把惯性系当作一种当然的存在。可能,爱因斯坦本来也不反对(但也不怎么满意)在狭义相对论基础上建立的引力论。由此,爱因斯坦不得不超越狭义相对论。
在这一工作中,他十分诚恳地反复强调,他得益于物理学家兼哲学家马赫(Ernst Mach, 1836~1916)的思想。
爱因斯坦说:“事实是,马赫曾经以其历史的批判的著作①对我们这一代自然科学家起过巨大的影响,在这些著作中,他以深切的感情注意各门科学的成长,追踪这些领域中起开创作用的研究工作者,一直到他们的内心深处。我甚至相信,那些自命为马赫的反对派的人,可以说几乎不知道他们曾经如同吸取他们母亲的乳汁那样吮吸了多少马赫的思维方式。”
“没有人能够否认,那些认识论的理论家们曾为这一发展铺平了道路;从我自己来说,我至少知道:我曾经直接地或间接地特别从体馍和马赫那里受到莫大的启发。”
也许可以公正地反过来说,马赫应该感谢爱因斯坦,正是爱因斯坦对惯性的思索、研究并赋之以相对性观念,才使得马赫的科学思想和哲学思维方法大放异彩。
马赫(Ernst Mach, 1838~1916)是斯洛伐克物理学家、生理学家、心理学家和哲学家。②他14岁才上学,也许是世界著名科学家中人学年龄最大的一个。他的启蒙老师就是他的父亲。1860年,马赫获得维也纳大学的博士学位,然后又在这所大学执教4年。他的第一篇论文是以实验支持多普勒定律。这篇文章反映了马赫坚持传统的物理学观点的倾向。他完全接受了物质的原子性分子理论和气体运动论。1864年,他移居到格拉兹(Graz)。从此,他的研究兴趣转向关于感觉的心理学和生理学。在格拉兹,他发现了现在称之为“马赫带”的光学现象。1867年,他在布拉格的查尔斯大学担任实验物理学教授,在超声研究方面做出了突出贡献。“马赫数”就是他的发现。马赫成为世界级的著名科学家兼哲学家,源自他的科学史和科学哲学研究。其中一项是关于知识理论的“思维经济原则”;另一项便是由爱因斯坦命名的“马赫原
理”。
马赫的知识理论认为,我们所