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2015年是爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）完成广义相对论100周年。广义相对论被认为是人类认识大自然的最伟大的成果。玻恩（Max Born，1882～1970）曾说过，广义相对论“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”。

一般而言，一个新理论的出现，要么是旧理论遇到实验上的反例，要么与其他理论之间不融洽，但广义相对论的诞生，却没有遵循上述思路。首先，广义相对论并没有遇到在经验上需要迫切解决的问题。水星近日点的进动的确是个问题，但整个学界并没有把它看成是非常严重的问题，用其他修正也能将这一异常勉强解释过去，牛顿理论并未遇到挑战。那么，爱因斯坦的广义相对论是基于何种理由而建构的呢？它是仅由这位“孤独的天才”独自完成的吗？

众所周知，狭义相对论建立在两条基本原理之上：相对性原理和光速不变原理。在提出狭义相对论不久后的1907年，爱因斯坦就发现了其局限性。在普鲁士科学院就职演讲中，他说，“狭义相对论在理论上是不能完全令人满意的，因为它给匀速运动以优越的地位。”给予惯性系以优越地位，在爱因斯坦看来，无论从认识论，还是美学角度，都是讲不通的。为此，他将相对性原理推广到任意参考系，成为“广义相对性原理”。用他自己的话说，“我们把‘广义相对性原理’理解为下述陈述：所有参考物体……不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然界定律）都是等效的。”

可是问题并没有解决。当时只知道有两种力：电磁力与万有引力。电磁学与狭义相对论没有矛盾，而万有引力无论如何都融不进去。按照牛顿理论，万有引力是一种没有时间延迟的（瞬间的）超距作用，而按照光速不变原理，没有任何物理效应能够以比光更快的速度传播。如何解决两者之间的矛盾，是摆在爱因斯坦面前的问题。通过思想实验，爱因斯坦意识到了引力与加速度之间的关系。

“我正坐在伯尔尼专利局一张椅子上，忽然一种思想打动了我：假如一个人自由落下，他不会感觉到自己的重量。我不禁大吃一惊，这个简单的思想实验，给我以深刻的印象，他把我引向引力论。我继续沿着我的思路发展下去：下跌者在加速，他所感觉和判断的东西发生在加速的参照系中。我决定把相对论扩展到有加速度的参照系中，我觉得这样做就能同时解决地心引力问题。下跌者不可能感觉到自己的重量，因为在他的参照系中，有一个新的引力场，抵消了地球引力场，在这个加速参照系中，我们需要一个新的引力场。”

这个让他“大吃一惊”的领悟，开启了长达8年的推广狭义相对论之路（创立广义相对论）。这一想法被他称为“我一生中最快乐的思想”。

从伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）时代开始，人们就认识到引力质量与惯性质量相等。但对其内在机制，却一直没有深究。“引力质量”决定了物体在地球表面的重量，或者说，决定了它与其他物体之间的吸引；“惯性质量”决定了使物体加速需要施予多大的力。牛顿（Isaac Newton，1643～1727）虽然也注意到两者从定义上是完全不同的，但它们却总是相等，也就没有深究其中的原因。在爱因斯坦看来，“我们唯有承认一个事实才能得到满意的解释，这个事实就是：物体的同一个性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重量’(字面意义是‘重性’）。”

爱因斯坦用思想实验来考察惯性质量与引力质量之间的等效性。设想一台封闭的升降机正在没有重力的外太空加速向上运动，那么升降机内部的人所感受到的向下的力……乃是起因于惯性质量。而如果封闭的升降机静止于引力场中，那么升降机内部的人所感受到的向下的力乃是起因于引力质量。而惯性质量总是等于引力质量。“由这种相当性得知，不可能用实验去发现一个坐标系究竟是在加速的，还是在沿直线匀速运动着，而所观察到的结果则是由引力场所引起的……一旦引力引了进来，它就粉碎了惯性系这个概念。”

后来，在一次报告中他又拿出自己一贯的专长，用思想实验来说明这一点。他让听众设想两个物理学家从睡梦中醒来，发现自己站在一个封闭的箱子里，四壁是不透明的，但他们所有的仪器都还在。他们将无法发现箱子到底是静止于地球的引力场中，还是受某种神秘外力的作用向上做匀加速运动。

换句话说，一个被加速的实验室中的物理学和一个均匀引力场中的物理学是一样的。加速度与引力是一回事，这就是所谓的等效原理。在一个封闭的房间里，没法做一个实验来判断，你到底是在有引力的情况下处于静止，还是在没有引力的情况下做加速运动。

等效原理的一个后果便是，引力场中时间节奏要变慢，光线会发生偏折。关于这一点，早在1911年6月21日提交给《物理学纪事》(Annalen der Physik)、9月1日刊出的《论引力对光的传播的影响》中，爱因斯坦就预言了光通过太阳附近的引力场时发生的现象。

“在太阳附近经过的一条光线，将受到……0.83弧秒的偏转。既然在日全蚀中位于太阳附近那一部分天空中的各恒星会变成可见的，那就有可能把理论的这一推论和经验进行比较……非常希望的是，天文学家们能够过问此处所提的问题，即使这里所提的这些想法显得不够可靠乃至有些大胆。因为，除了任何理论之外，我们必须问问自己：引力场对光的传播的一种影响到底能不能用目前已有的仪器来加以探测。”

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）