物理學(xué)的進(jìn)化之十四

1、物理學(xué)的進(jìn)化之十四場(chǎng)，相對(duì)論（）廣義相對(duì)論在升降機(jī)外和升降機(jī)內(nèi)廣義相對(duì)論現(xiàn)在還有一個(gè)論點(diǎn)等待我們?nèi)コ吻濉Ｓ幸粋€(gè)最基本的問(wèn)題尚未解決：是不是存在著一個(gè)慣性系呢？我們對(duì)于自然界的定律，對(duì)于它們對(duì)洛倫茲轉(zhuǎn)換的不變性，以及對(duì)于它們?cè)谒谢プ鲃蛩僦本€運(yùn)動(dòng)的慣性系中的有效性都已略有所知。我們有了定律，但是我們還不知道它們所參照的是哪一個(gè)框架。為了使我們更加明白這個(gè)問(wèn)題的困難，我們且訪問(wèn)一位經(jīng)典物理學(xué)家，與他討論幾個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：“慣性系是什么？”“它是力學(xué)定律在其中行之有效的一個(gè)坐標(biāo)系。在這樣的一個(gè)坐標(biāo)系中，一個(gè)沒(méi)有受外力作用的物體總是作勻速直線運(yùn)動(dòng)的。這種性質(zhì)使我們能把慣性坐標(biāo)系和其他任何坐標(biāo)系區(qū)別開(kāi)來(lái)。

2、”“但是所謂沒(méi)有力作用于物體上，究竟是什么意思呢？” “這只是說(shuō)物體在慣性坐標(biāo)系中作勻速直線運(yùn)動(dòng)?！庇谑俏覀冇挚梢栽賳?wèn)一次：“慣性坐標(biāo)系是什么？”但是由于很少有希望得到一個(gè)與上不同的答案，我們不如把問(wèn)題改變一下，或許可以得到一些具體的知識(shí)?！耙粋€(gè)嚴(yán)密地與地球相結(jié)合的坐標(biāo)系是一個(gè)慣性坐標(biāo)系嗎？”“不是，因?yàn)橛捎诘厍虻霓D(zhuǎn)動(dòng)，力學(xué)定律在地球上不是嚴(yán)格地有效的。在許多問(wèn)題上，我們可以把嚴(yán)密地結(jié)合于太陽(yáng)的坐標(biāo)系看作是一個(gè)慣性系，但是我們有時(shí)也說(shuō)到太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可見(jiàn)嚴(yán)密地結(jié)合于太陽(yáng)的坐標(biāo)系，嚴(yán)格地說(shuō)也不是一個(gè)慣性坐標(biāo)系?！薄澳悄?，具體他說(shuō)，什么才是你說(shuō)的慣性坐標(biāo)系呢？而且怎樣選擇它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呢？”“這只是一

3、個(gè)有用的虛構(gòu)，我也想不到怎樣去實(shí)現(xiàn)它。只要我能夠遠(yuǎn)離一切物體，而且使我不受任何外力的影響，我的坐標(biāo)系就會(huì)是慣性的?！薄暗悄闼^免除所有的外界影響的坐標(biāo)系又是什么意思呢？”“我的意思是說(shuō)那個(gè)坐標(biāo)系是慣性的?！庇谑俏覀冇挚诘皆瓉?lái)的那個(gè)問(wèn)題上來(lái)了。我們的交談顯示出經(jīng)典物理學(xué)中一個(gè)嚴(yán)重的困難。我們有定律，但是不知它們歸屬于哪一個(gè)框架，因此整個(gè)物理學(xué)都好像是筑在沙堆上一樣。我們可以從另一種不同的觀點(diǎn)來(lái)研究這個(gè)困難。設(shè)想在全宇宙中只有一個(gè)物體，它構(gòu)成了我們的坐標(biāo)系。這個(gè)物體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，轉(zhuǎn)動(dòng)的物體的物理定律跟不轉(zhuǎn)動(dòng)的物體的物理定律是不同的。假使慣性原理在一種情況中是可用的，那么在另一種情況中便

4、是不能用的了。但是這些話聽(tīng)起來(lái)很令人懷疑。假使整個(gè)宇宙中只有一個(gè)物體，我們難道能夠考察它的運(yùn)動(dòng)嗎？所謂一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)，總是說(shuō)它相對(duì)于另一個(gè)物體的位置改變，因此，說(shuō)成獨(dú)一無(wú)二的物體的運(yùn)動(dòng)是與常識(shí)不符的。經(jīng)典物理學(xué)在這一點(diǎn)上是和常識(shí)很矛盾的。牛頓的說(shuō)法是：假使慣性定律是有效的，那未這個(gè)坐標(biāo)系或者是靜止，或者是作勻速直線運(yùn)動(dòng)。如果慣性定律無(wú)效，那未物體的運(yùn)動(dòng)是非勻速運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)，我們對(duì)運(yùn)動(dòng)或靜止的判斷，便要依靠所有的物理定律能否在既定的一個(gè)坐標(biāo)系里面應(yīng)用來(lái)決定了。取定兩個(gè)物體，例如太陽(yáng)和地球。我們所觀察到的運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的，既可以用關(guān)聯(lián)于地球的坐標(biāo)系也可以用關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)的坐標(biāo)系來(lái)描述它。根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)看

5、來(lái)，哥白尼的偉大成就在于把坐標(biāo)系從地球轉(zhuǎn)換到太陽(yáng)上去，但是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，任何參考系都可以用，似乎沒(méi)有什么理由認(rèn)為一個(gè)坐標(biāo)系會(huì)比另外一個(gè)好些。物理學(xué)再一次干涉和改變我們的常識(shí)。關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)的坐標(biāo)系比關(guān)聯(lián)于地球的坐標(biāo)系更像一個(gè)慣性系，物理定律在哥白尼的坐標(biāo)系中用起來(lái)比在托勒密的坐標(biāo)系中要好得多。只有在物理學(xué)的觀點(diǎn)上才能對(duì)哥白尼發(fā)現(xiàn)的偉大意義有所體會(huì)，它說(shuō)明了用嚴(yán)密地連結(jié)于太陽(yáng)的坐標(biāo)系來(lái)描寫(xiě)行星的運(yùn)動(dòng)有很大的好處。在經(jīng)典物理學(xué)中，不存在絕對(duì)的直線勻速運(yùn)動(dòng)。如果兩個(gè)坐標(biāo)系相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么說(shuō)“這個(gè)坐標(biāo)系是靜止的，而另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)的”是毫無(wú)意義的。但是如果兩個(gè)坐標(biāo)系相互作非勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么完全有

6、理由說(shuō)：“這個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)是靜止的（或者在勻速直線地運(yùn)動(dòng)）?！苯^對(duì)的運(yùn)動(dòng)在這里有很確切的意義。在這一點(diǎn)上，常識(shí)和經(jīng)典物理學(xué)之間隔著一條鴻溝。前面所說(shuō)的慣性系的困難是和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的困難密切相關(guān)的。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)之所以成為可能，只是由于自然定律能在其中有效的慣性系統(tǒng)的觀念而產(chǎn)生的。這些困難好像是無(wú)法避免的，正像任何物理學(xué)理論都無(wú)法避免它們一樣。困難的根源在于自然定律只能應(yīng)用在某一種特殊的坐標(biāo)系即慣性系中。解決這個(gè)困難有無(wú)可能，全看對(duì)于下面的問(wèn)題回答得怎樣。我們是否能這樣來(lái)表達(dá)物理學(xué)中的定律，使它們?cè)谒械淖鴺?biāo)系中，即不單是在相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中，而且在相互作任何任意運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中都是有效的呢

7、？如果這是可以做到的，那么困難便會(huì)得到解決。那時(shí)我們便可以把自然定律應(yīng)用到任何一個(gè)坐標(biāo)系中去。于是，在科學(xué)早期的托勒密和哥白尼的觀點(diǎn)之間的激烈斗爭(zhēng)，也就會(huì)變成毫無(wú)意義了。我們應(yīng)用任何一個(gè)坐標(biāo)系都一樣。“太陽(yáng)靜止，地球在運(yùn)動(dòng)”，或“太陽(yáng)在運(yùn)動(dòng)，地球靜止”，這兩句話，便只是關(guān)于兩個(gè)不同坐標(biāo)系的兩種不同慣語(yǔ)而已。我們是否能夠建立起一種在所有坐標(biāo)系中都有效的名符其實(shí)的相對(duì)論物理學(xué)呢？或者說(shuō)，能否建立只有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而沒(méi)有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種物理學(xué)呢？事實(shí)上，這是可能的！關(guān)于怎樣去建立這種新物理學(xué)，我們至少已經(jīng)有了一個(gè)啟發(fā)，盡管這個(gè)啟發(fā)是那樣軟弱無(wú)力。真正的相對(duì)論物理學(xué)必須能應(yīng)用于一切的坐標(biāo)系中，因此也當(dāng)然能應(yīng)用

8、于慣性坐標(biāo)系這類特例中。我們?cè)缫阎滥軕?yīng)用于慣性坐標(biāo)系的許多定律。適用于一切坐標(biāo)系的新的普遍定律，必須在慣性系的特例中還原為舊的已知定律。建立能應(yīng)用于一切坐標(biāo)系的物理學(xué)定律的問(wèn)題，已經(jīng)被所謂的廣義相對(duì)論解決了。先前所講的相對(duì)論，只能應(yīng)用于慣性系，被稱為狹義相對(duì)論。這兩種相對(duì)論自然不能相互矛盾，因?yàn)槲覀儽仨毎血M義相對(duì)論中的舊定律包含在一種慣性系的普通定律中。但是正由于物理學(xué)定律以往只建立在惟一的慣性坐標(biāo)系上。所以現(xiàn)在它將成為一種特殊的極限情況，因?yàn)樵趶V義相對(duì)論中，一切相對(duì)作任意運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系都是許可的。這就是廣義相對(duì)論的預(yù)言。但是要描述這個(gè)預(yù)言是怎樣作出來(lái)的，我們必須說(shuō)得比以前更含糊些?？茖W(xué)發(fā)展中

9、所產(chǎn)生的新困難迫使我們的理論愈來(lái)愈抽象。許多預(yù)料不到的事情仍然等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，而我們的最終目的總是要更好地了解實(shí)在。在結(jié)合理論和觀察的邏輯鎖鏈中又增加了新的環(huán)圈。要清除由理論通到實(shí)驗(yàn)的道路上一切不必要和牽強(qiáng)的假設(shè)，要使理論包括范圍更加廣闊的論據(jù)，我們必須使這個(gè)鎖鏈愈來(lái)愈長(zhǎng)。我們的假設(shè)變得愈簡(jiǎn)單、愈根本，則我們所用的數(shù)學(xué)推理工具便愈艱深，而由理論到觀察的道路也愈長(zhǎng)、愈艱難、愈復(fù)雜。雖然這些話聽(tīng)來(lái)好像不通，但我們一定可以說(shuō)，新物理學(xué)比較舊物理學(xué)更簡(jiǎn)單，因而也似乎更困難而且更艱深。我們的外在世界的圖景愈簡(jiǎn)單，那么它所包括的論據(jù)愈多，它愈能在我們的腦海中鮮明地反映出宇宙的融和與一致。我們的新觀念是很

10、簡(jiǎn)單的：建立一種在所有坐標(biāo)系中都有效的物理學(xué)。為了滿足這個(gè)觀念，我們不能不使物理學(xué)的形式更復(fù)雜，并且不能不使用一些我們以前在物理學(xué)中沒(méi)有用過(guò)的數(shù)學(xué)工具。在這里我們只指出這個(gè)預(yù)言的應(yīng)驗(yàn)和兩個(gè)主要問(wèn)題（引力及幾何學(xué)）的關(guān)系。在升降機(jī)外和升降機(jī)內(nèi)慣性定律標(biāo)志著物理學(xué)上的第一個(gè)大進(jìn)步，事實(shí)上是物理學(xué)的真正開(kāi)端。它是由考慮一個(gè)既沒(méi)有摩擦又沒(méi)有任何外力作用而永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體的理想實(shí)驗(yàn)而得來(lái)的。從這個(gè)例子以及后來(lái)許多旁的例子中，我們認(rèn)識(shí)到用思維來(lái)創(chuàng)造理想實(shí)驗(yàn)的重要性?，F(xiàn)在我們又要討論到另一些理想實(shí)驗(yàn)。雖然這些理想實(shí)驗(yàn)聽(tīng)來(lái)似乎很荒唐，可是卻能幫助我們用簡(jiǎn)單的方法了解相對(duì)論。前面講過(guò)一個(gè)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的房間的理想

11、實(shí)驗(yàn)。這里我們要變換一下，講一個(gè)下降的升降機(jī)的理想實(shí)驗(yàn)。設(shè)想有一個(gè)大升降機(jī)在摩天樓的頂上，而這個(gè)理想的摩天樓比任何真實(shí)的摩天樓還要高得多。突然，升降機(jī)的鋼纜斷了，于是升降機(jī)就毫無(wú)拘束地向地面降落。在降落過(guò)程中，里面的觀察者正在做實(shí)驗(yàn)。描寫(xiě)這些實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們不必顧慮空氣的阻力或摩擦力，因?yàn)樵诶硐雽?shí)驗(yàn)中，我們可以不考慮它的存在。一個(gè)觀察者從袋里拿出一塊手帕和一只表，然后讓它們從手中掉下來(lái)。這兩個(gè)物體會(huì)怎樣呢？在升降機(jī)外面的觀察者從升降機(jī)的窗子望進(jìn)去，發(fā)現(xiàn)手帕和表以同樣的加速度向地面落下。我們記得，一個(gè)落體的加速度與它的質(zhì)量無(wú)關(guān)，而這個(gè)情況正揭示了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的相等。我們還記得，從經(jīng)典力學(xué)觀

12、點(diǎn)看來(lái)，這兩種質(zhì)量的相等完全是偶然的，它在經(jīng)典力學(xué)中毫無(wú)作用?？墒窃谶@里，這兩種質(zhì)量的相等是很重要的，它反映了一切落體都有相同的加速度，并且構(gòu)成了我們?nèi)空撟C的基礎(chǔ)。我們返回來(lái)談那下落的手帕和表。在升降機(jī)外面的觀察者看來(lái)，這兩個(gè)物體都是以同樣的加速度降落，而升降機(jī)連同它的四壁。地板。天花板也都以同樣的加速度降落，因此兩個(gè)物體與地板之間的距離不會(huì)改變。對(duì)于升降機(jī)里面的觀察者來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)物體就停在他松手讓它們掉下的那個(gè)地方。里面的觀察者可以不管引力場(chǎng)，因?yàn)橐?chǎng)的源在他的坐標(biāo)系之外。他發(fā)現(xiàn)在升降機(jī)之內(nèi)沒(méi)有任何力作用于這兩個(gè)物體，因此它們是靜止的，正好像它們是在一個(gè)慣性坐標(biāo)系中一樣。奇怪的事情在升降

13、機(jī)中發(fā)生了！假使這個(gè)觀察者把一個(gè)物體朝任何方向（例如朝上或朝下）推動(dòng)，在它沒(méi)有碰到升降機(jī)的天花板或地板之前，它就會(huì)永遠(yuǎn)勻速直線地運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，升降機(jī)里面的觀察者認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)的定律是有效的。所有物體的行為都被慣性定律預(yù)料到了。這個(gè)新的嚴(yán)密地連結(jié)于自由降落的升降機(jī)的坐標(biāo)系跟慣性坐標(biāo)系之間只有一個(gè)方面不同。在慣性坐標(biāo)系中，一個(gè)沒(méi)有受任何力作用的運(yùn)動(dòng)物體永遠(yuǎn)會(huì)勻速直線地運(yùn)動(dòng)。經(jīng)典物理學(xué)表述慣性坐標(biāo)系是無(wú)論在空間上與時(shí)間上都不加限制的?？墒窃谶@個(gè)升降機(jī)中的觀察音的例子中就不同了。他的坐標(biāo)系的慣性性質(zhì)，卻是限制在一定的空間與時(shí)間中的。遲早這個(gè)直線勻速地運(yùn)動(dòng)的物體要碰到升降機(jī)的壁，而直線勻速運(yùn)動(dòng)就受到破壞

14、。而且遲早這整個(gè)升降機(jī)會(huì)碰到地面，而連里面的觀察者和他的實(shí)驗(yàn)都要受到破壞。這個(gè)坐標(biāo)系只是一個(gè)實(shí)在的慣性坐標(biāo)系的“袖珍版”罷了。這個(gè)坐標(biāo)系的局部性是很重要的。如果這個(gè)想象中的升降機(jī)的一端在北極，一端在赤道，而手帕放在北極，表放在赤道，則在外面的觀察者看來(lái)，這兩個(gè)物體的加速度不會(huì)相等，它們不會(huì)是相對(duì)地靜止的。我們的全部推論便都瓦解了！升降機(jī)的尺度必須有一定的限制，然后才能認(rèn)為一切物體的加速度相對(duì)于升降機(jī)外面的觀察者都相等。雖然有了這種限制，里面的觀察者還是認(rèn)為這個(gè)坐標(biāo)系具有慣性的性質(zhì)。我們至少能同意一個(gè)所有的物理學(xué)定律在它里面都能應(yīng)用的坐標(biāo)系，不過(guò)在時(shí)間和空間上受限制而已。假如我們?cè)傧胂罅硪粋€(gè)坐標(biāo)

15、系，即另一個(gè)對(duì)自由降落的升降機(jī)作直線勻速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)，那么這兩個(gè)坐標(biāo)系都會(huì)是局部慣性的。所有的定律在這兩個(gè)坐標(biāo)系中都完全一樣。從一個(gè)坐標(biāo)系過(guò)渡到另一個(gè)坐標(biāo)系是用洛倫茲變換來(lái)表示的。我們?cè)嚳瓷禉C(jī)里面和外面的這兩個(gè)觀察者用什么方法來(lái)描述升降機(jī)里面所發(fā)生的事情。外面的觀察者看到升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)和機(jī)內(nèi)一切物體的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它們與牛頓引力定律是一致的。在他看來(lái)，由于地球引力場(chǎng)的作用，運(yùn)動(dòng)不是直線勻速的，而是加速的。可是在升降機(jī)內(nèi)出生和成長(zhǎng)起來(lái)的一代物理學(xué)家，卻會(huì)產(chǎn)生完全不同的想法。他們確信自己保有一個(gè)慣性系統(tǒng)，而把所有的自然定律都關(guān)聯(lián)到他們的升降機(jī)，而且很有信心他說(shuō)，在他們的坐標(biāo)系中，定律都有一種特別簡(jiǎn)單的

16、形式。他們會(huì)很自然地認(rèn)為他們的升降機(jī)是靜止的，而他們的坐標(biāo)系是慣性的。要調(diào)解外面的觀察者和里面的觀察者的分歧意見(jiàn)是不可能的。他們每人都有權(quán)利把一切現(xiàn)象聯(lián)系到自己的坐標(biāo)系上去，兩者都可以把各自看到的現(xiàn)象描述得完全一致。從這個(gè)例子中，我們可以看到甚至在兩個(gè)并非作直線勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中的物理現(xiàn)象要作出一致的描述也是可能的。但是要作這樣的描寫(xiě)，我們必須把引力考慮在內(nèi)，它構(gòu)成從一個(gè)坐標(biāo)系過(guò)渡到另一個(gè)坐標(biāo)系的“橋梁”。外面的觀察者認(rèn)為存在引力場(chǎng)，里面的觀察者卻認(rèn)為不存在。外面的觀察者認(rèn)為存在著升降機(jī)在引力場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)，里面的觀察者卻認(rèn)為升降機(jī)是靜止的，而且引力場(chǎng)也是不存在的。但是引力場(chǎng)這個(gè)“橋梁”，使兩

17、個(gè)坐標(biāo)系中的描述成為可能，這個(gè)橋梁架設(shè)在一個(gè)很重要的礅柱之上：引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的相等。如果沒(méi)有這個(gè)經(jīng)典力學(xué)所未曾注意到的線索，我們目前的論證就會(huì)完全失敗。現(xiàn)在再來(lái)講一個(gè)稍微不同的理想實(shí)驗(yàn)。假設(shè)有一個(gè)慣性坐標(biāo)系，在它里面，慣性定律是有效的。我們已經(jīng)描述過(guò)靜止在這樣的一個(gè)慣性坐標(biāo)系中的一個(gè)升降機(jī)中所發(fā)生的事?，F(xiàn)在我們把圖改變一下，有人在外面把一根纜索縛在升降機(jī)上，再以一個(gè)不變的力照?qǐng)D上的方向拉（圖）。至于用什么方法拉是無(wú)關(guān)重要的。因?yàn)榱W(xué)定律在這個(gè)坐標(biāo)系中是有效的，這整個(gè)的升降機(jī)以不變的加速度朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。我們?cè)俾?tīng)一聽(tīng)升降機(jī)內(nèi)外的觀察者怎樣解釋在升降機(jī)里面所發(fā)生的現(xiàn)象。外面的觀察者：我的坐標(biāo)

18、系是一個(gè)慣性坐標(biāo)系，升降機(jī)以不變的加速度運(yùn)動(dòng)是因?yàn)橛幸粋€(gè)不變的力在作用。里面的觀察者是在作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，力學(xué)定律對(duì)于他是無(wú)效的。他看不出不受外力作用的物體是靜止的。如果釋放一個(gè)物體，那么它立刻會(huì)碰在升降機(jī)的地板上，因?yàn)榈匕迨浅矬w向上運(yùn)動(dòng)的。表和手帕也完全一樣。我覺(jué)得很奇怪，升降機(jī)內(nèi)的觀察者的腳必須永遠(yuǎn)貼在“地板”上，因?yàn)楫?dāng)他跳起來(lái)的時(shí)候，地板又立刻會(huì)重新碰到他。里面的觀察者：我不知道有什么理由可以相信我的升降機(jī)在作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。我同意，跟我的升降機(jī)緊密地聯(lián)系著的坐標(biāo)系實(shí)在不是慣性的，但是我不相信它與絕對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。我的表、手帕以及一切物體的下降，是因?yàn)檎麄€(gè)升降機(jī)都是在引力場(chǎng)中的緣故。我所觀察到的運(yùn)動(dòng)

19、和人們?cè)诘厍蛏纤吹降耐耆粯樱藗兒芎?jiǎn)單地用引力場(chǎng)的作用來(lái)解釋地球上的物體下落的運(yùn)動(dòng)，我也是如此。這兩種描述（一種是由外面的觀察者所作，另一種是由里面的觀察者所作）都很能自圓其說(shuō)，因而我們不可能決定哪一個(gè)是正確的。我們可以采用其中任何一種來(lái)描寫(xiě)升降機(jī)中的現(xiàn)象：或是依照外面的觀察者所主張的，升降機(jī)作非勻速直線運(yùn)動(dòng)而沒(méi)有引力場(chǎng)，或者依照里面的觀察者所主張的，升降機(jī)靜止，卻有引力場(chǎng)。外面的觀察者可以認(rèn)定升降機(jī)是在作“絕對(duì)的”非勻速直線運(yùn)動(dòng)，但是一個(gè)被作用有引力場(chǎng)的假定所駁倒的運(yùn)動(dòng)決不能看作是一個(gè)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。也許我們能從這兩種不同描述中的含糊之處找到一條出路以決定哪一種對(duì)，哪一種不對(duì)。設(shè)想有一束光穿過(guò)

20、一個(gè)側(cè)面窗口水平地射進(jìn)升降機(jī)內(nèi)，并且在極短時(shí)間之后射到對(duì)面的墻上。我們?cè)倏催@兩個(gè)觀察者怎樣預(yù)測(cè)光的路徑。外面的觀察者由于相信升降機(jī)在作加速運(yùn)動(dòng)，他斷定：光線射進(jìn)窗內(nèi)之后是水平地以不變的速度沿著直線向?qū)γ娴膲ι仙涞?。但是升降機(jī)正在朝上運(yùn)動(dòng)，而在光朝墻而射的時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)已經(jīng)改變了位置。因此光線所射到的點(diǎn)不會(huì)與入口的點(diǎn)恰恰相對(duì)，而會(huì)稍微低一點(diǎn)（圖）。這個(gè)差異是很小的，可總是有的，于是相對(duì)升降機(jī)而言，光線不是沿著直線，而是沿著稍微彎曲的曲線行進(jìn)的。產(chǎn)生差異的原因是當(dāng)光線經(jīng)過(guò)升降機(jī)內(nèi)部時(shí)，升降機(jī)本身已移動(dòng)了一段距離。里面的觀察者由于相信升降機(jī)內(nèi)的一切物體都受到引力場(chǎng)的作用，他說(shuō)：升降機(jī)的加速運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有的，只有引力場(chǎng)的作用。光束是沒(méi)有質(zhì)量的，因此不會(huì)受到引力場(chǎng)的影響。假如它是朝著水平的方向射去，它就會(huì)射到與人口的點(diǎn)恰恰相對(duì)的一點(diǎn)上。從這個(gè)討論看起來(lái)，似乎有可能在這兩種相互矛盾的觀點(diǎn)中選擇一種，因?yàn)檫@兩個(gè)觀察者對(duì)于同一個(gè)現(xiàn)象的解釋是不同的。假使剛才所指出的兩種解釋都沒(méi)有什么不合理的地方，那么我們前面的全部論證都