让我们再次回过头来看看箱子里面的那位不幸的朋友。由于她看不到外面的世界,因此没有任何外来信息能告诉她正在下落的事实。这时她决定尝试做一个小实验,从口袋里拿出激光笔瞄准箱子的另一边(见图2—4)。当她打开激光笔时,会看到箱子壁上的红色激光点恰好水平,正如她所期望的那样。这也是根据等效性原理我们期待她看到的景象——箱子里面的物理定律,必须和其他任何匀速运动中的情形是相同的。(如果光在箱子中不沿直线传播,这一实验将告诉她箱子正在下落,从而与等效性原理产生矛盾。)
但对身处箱子外面的我们来说,这一实验又是什么样的呢?从我们的角度看,激光束的传播路径不再是一条直线——相反它会沿着如图所示的曲线路径行进。由于箱子正在下落,因此当光到达箱壁的时候,箱壁已经发生了移动。这时,如果要使激光束依然按照箱子内的观察者所见,直接击中箱壁上(正在自由落体中)正确的点,这一束没有质量的激光也必须做自由落体运动。光必须和箱子中的人(以及箱子本身)产生对引力完全相同的响应。
当爱因斯坦进行这部分假想实验时,他发现他的结果对光的行为有着重大的含义。和任何有质量的物体相同,光能量也必须受到引力的影响——在有引力场存在的情况下,光将沿一条弯曲的路线前进。
由此,爱因斯坦的关键论述可以概括为以下几点:
●引力等价于加速度。
●自由落体可以被定义为零加速度。
●因此,一个做自由落体运动的观察者,等同于一个做匀速运动的观察者(没有引力场),所以她无法判断出自己正在下落。
●因此,引力必然会像影响质量那样影响光线(否则,观察者就可以利用光线,找到一些聪明的方法来分辨他们是否在下落),即在引力场的作用下,光会沿一条弯曲的路线传播。
引力对光的影响不仅是理论上的——我们已经看到了它在现实世界中的效果。由于引力的作用,当光远离一个巨大物体时会损失能量。和一个球被抛到空中时将失去能量的原理一样(球要克服地球的引力做功),当光从地球表面传播到一个更高的高度时,也会失去一部分能量。这种能量的损失被称为引力红移(gravitational redshifting)。7对光来说,能量的改变等同于颜色的改变。我们所看到的蓝光是一种比红光能量更高的光。如果将一束蓝光从地球表面向上发射,并由一架盘旋在高空且配置有高敏光探测器的直升机进行探测,我们会发现光束的视觉颜色发生了改变,并非常轻微地朝光谱的红端移动——即“红移”。
