22 广义相对性原理的几个推论

第20节的论述表明，广义相对性原理能够使我们以纯理论方式推出引力场的性质。例如，假定我们已经知道任一自然过程在伽利略区域中相对于一个伽利略参考物体K 如何发生，亦即已经知道该自然过程的空时“进程”，借助于纯理论运算(亦即单凭计算)，我们就能够断定这个已知自然过程从一个相对于K 作加速运动的参考物体K′ 去观察，是如何表现的。但是由于对于这个新的参考物体K′ 而言存在着一个引力场，所以以上的考虑也告诉我们引力场如何影响所研究的过程。

例如，我们知道，相对于K (按照伽利略定律)作匀速直线运动的一个物体，它相对于作加速运动的参考物体K′ (箱子)是在作加速运动的，一般还是在作曲线运动的。此种加速度或曲率相当于相对于K′ 存在的引力场对运动物体的影响。引力场比此种方式影响物体的运动是大家已经知道的，因此以上的考虑并没有为我们提供任何本质上新的结果。

但是，如果我们对一道光线进行类似的考虑就得到一个新的具有基本重要性的结果。相当于伽利略参考物体K ，这样的一道光线是沿直线以速度c 传播的。不难证明，当我们相对于作加速运动的箱子(参考物体K′ )来考察这同一道光线时，它的路线就不再是一条直线。由此我们得出结论，光线在引力场中一般沿曲线传播。这个结果在两个方面具有重大意义。

首先这个结果可以同实际比较。虽然对这个问题的详细研究表明，按照广义相对论，光线穿过我们在实践中能够加以利用的引力场时，只有极其微小的曲率；但是，以掠入射方式经过太阳的光线，其曲率的估计值达到1.7″。这应该以下述方式表现出来。从地球上观察，某些恒星看来是在太阳的邻近处，因此这些恒星能够在日全食时加以观测。这些恒星当日全食时在天空的视位置与它们当太阳位于天空的其他部位时的视位置相比较应该偏离太阳，偏离的数值如上所示。检验这个推断正确与否是一个极其重要的问题，希望天文学家能够早日予以解决 ^[1] 。

其次，我们的结果表明，按照广义相对论，我们时常提到的作为狭义相对论中两个基本假定之一的真空中光速恒定定律，就不能被认为具有无限的有效性。光线的弯曲只有在光的传播速度随位置而改变时才能发生。我们或许会想，由于这种情况，狭义相对论以及随之整个相对论，都要化为灰烬了。但实际上并不是这样。我们只能作这样的结论： 不能认为狭义相对论的有效性是无止境的；只有在我们能够不考虑引力场对现象(例如光的现象)的影响时，狭义相对论的结果才能成立。

由于反对相对论的人时常说狭义相对论被广义相对论推翻了，因此用一个适当的比方来把这个问题的实质弄得更清楚些也许是允当的。在电动力学发展前，静电学定律被看作是电学定律。现在我们知道，只有在电质量相互之间并相对于坐标系完全保持静止的情况下(这种情况是永远不会严格实现的)，才能够从静电学的考虑出发正确地推导出电场。我们是否可以说，由于这个理由，静电学被电动力学的麦克斯韦场方程推翻了呢?绝对不可以。静电学作为一个极限情况包含在电动力学中；在场不随时间而改变的情况下，电动力学的定律就直接得出静电学的定律。任何物理理论都不会获得比这更好的命运了，即一个理论本身指出创立一个更为全面的理论的道路，而在这个更为全面的理论中，原来的理论作为一个极限情况继续存在下去。

在刚才讨论的关于光的传播的例子中，我们已经看到，广义相对论使我们能够从理论上推导引力场对自然过程的进程的影响，这些自然过程的定律在没有引力场时是已知的。但是，广义相对论对其解决提供了钥匙的最令人注意的问题乃是关于对引力场本身所满足的定律的研究。让我们对此稍微考虑一下。

我们已经熟悉了经过适当选取参考物体后处于(近似地)“伽利略”形式的那种空时区域，亦即没有引力场的区域。如果我们相对于一个不论作何种运动的参考物体K′ 来考察这样的一个区域，那么相对于K′ 就存在着一个引力场，该引力场对于空间和时间是可变的 ^[2] 。这个场的特性当然取决于为K′ 选定的运动。按照广义相对论，普遍的引力场定律对于所有能够按这一方式得到的引力场都必须被满足。虽然绝不是所有的引力场都能够如此产生，我们仍然可以希望普遍的引力定律能够从这样的一些特殊的引力场推导出来。这个希望已经以极其美妙的方式实现了；但是从认清这个目标到完全实现它，是经过克服了一个严重的困难之后才达到的。由于这个问题具有很深刻的意义，我不敢对读者略而不谈。我们需要进一步推广我们对于空时连续区的观念。

[1] 理论所要求的光线偏转的存在，首次于1919年5月29日的日食期间，借助于英国皇家学会和英国皇家天文学会的一个联合委员会所装备的两个远征观测队的摄影星图得到证实。见附录Ⅰ(3)。

[2] 这一点可由第20节的讨论推广得出。