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第9部分

我們從(12)看到,虛值時間座標x4與空間座標x1;x2;x3;是以完全相同的方式進入這個變換條件中的。正是由於這個事實,所以按照相對論來說,“時間” x4應與空間座標x1;x2;x3;以同等形式進入自然定律中去。

用“座標” x1;x2;x3;x4描述的四給連續區,閔可夫斯基稱之為“世界”,他並且把代表某一事件的點稱作“世界點”。這樣,三維空間中發生的“事件”按照物理學的說法就成為四維“世界”的一個“存在”。

這個四維“世界”與(歐幾里得)解析幾何學的三維“空間”很近似。如果我們在這個“空間”引入一個具有同一原點的新的笛卡兒座標系(x'1;x'2;x'3)那麼x'1;x'2;x'3就是x1;x2;x3的線性齊次函式,並且恆等地滿足方程

這個議程與(12)完全類似。我們可以在形式上把閔可夫斯基“世界”看作(具有虛恰時間座標的)四維歐幾里得空間;洛倫茲變換相當於座標系在四維“世界”中的“轉動”。

三、廣義相對論的實驗證實

從系統的理論觀點來看,我們可以設想經驗科學的進化過程是一個連續的歸納過程,理論發展起來並以經驗定律的形式簡潔地綜合概括了大量的個別觀察的結果,再從這些經驗定律,透過比較推敲,確定普遍定律。根據這種看法,科學的發展有些象編纂分類目錄。這好象是一種純粹經驗性的工作。

但是這種觀點絕不能概括整個實際過程;因為這種觀點忽視了在嚴正科學(嚴格正確的科學,特別指數學一類的科學,——譯者注)的發展過程中直觀和演繹思考所起的重要作用。一門科學一經走出它的初始階段,理論的發展就不再僅僅依靠一個排列的過程來實現而是研究人員受到經驗資料的啟發而建立起一個思想體系;一般來說,這個思想體系在邏輯上是用少數的基本假定,即所謂公理,建立起來的。我們將這樣的思想體系稱力理論。理論有存在的必要的理由乃在於它能把大量的個別觀察聯絡起來,而理論的“真實性”也正在於此。

與同一個經驗資料的複合相對應的可能會有好幾個彼此頗不相同的理論。但就從這些理論得出的、能夠加以檢驗的推論而言,這幾種理淪可能是十分一致的,以致難以發現兩種理論有任何不一致的推論。例如,在生物學領域中有一個普遍感到興趣的例子,即一方面有達爾文關於構種透過生存競爭的選擇而發展的理論,另一方面有以後天取得的特性可以遺傳的假設為基礎的物種發展理論。

我們還有另一個例子說明兩種理論的推論是頗為一致的,這兩種理論就是牛頓力學和廣義相對論。這兩種理論是這樣的一致,以致從廣義相對十匯出的能夠加以檢驗的推論而力相對論創立前的物理學所未能匯出的,到目前為止我們只能找到少數幾個,儘管這兩種理論的基本假定有著深刻的差別。下面我們將再一次討論這幾個重要的推淪。還要討論迄今已經得到的關於這些推論的經驗證據。

(1)水星近日點的運動

按照牛頓力學和牛頓的引力定律,繞太陽執行的行星圍繞大陽(或者說得更正確些,圍繞太陽和這個行星的共同重心)描畫一個橢圓。在這樣的體系中,太陽或者共同重心位於軌道橢圓的一個焦點上,因而在二個行星年的過程中,太陽和行星之間的距離由極小增為極大;隨後,減至極小。如果我們在計算中不應用牛頓定律,而引進二個稍有不同的引力定律,我們就會發現,按照這個新的定律,在行星運動的過程中。太陽和行星之間的距離仍表現出週期性的變化;但在這個情況下,太陽和行星的連線(向徑)在這樣的一個週期中(從近日點一離太陽最近的點一到近日點)所掃過的角將不是360度”。因而軌道曲線將不是一個閉合曲線,隨著時間的推移軌道曲線將充滿軌道平面的一個環形部分,亦即分別以太陽和行星之間的最大距離和最小距離為半徑的兩個圓之間的環形部分。

按照廣義相對論(廣義相對論當然與牛頓的理論不同),行星在其軌道上的運動應與牛頓一開普勒定律有微小的出入,即從一個近日點走到下一個近日點期間,太陽一行星向徑所掃過的角度比對應於公轉整一週的角度要大,這個差的值由

決定。

(注意:公轉整一週對應子物理學中慣用的角的絕對量度中的2π角;從一個近日點到下一個近日點期間,太陽一行星向徑所掃過的角大於2π角,上式表出的量值就是這個差。)在此式中,a表示橢圓的半長軸,e是橢圓的偏心率,c是光速,T