讓我們?cè)俅位剡^(guò)頭來(lái)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,因此沒(méi)有任何外來(lái)信息能告訴她正在下落的事實(shí)。這時(shí)她決定嘗試做一個(gè)小實(shí)驗(yàn),從口袋里拿出激光筆瞄準(zhǔn)箱子的另一邊(見(jiàn)圖2—4)。當(dāng)她打開(kāi)激光筆時(shí),會(huì)看到箱子壁上的紅色激光點(diǎn)恰好水平,正如她所期望的那樣。這也是根據(jù)等效性原理我們期待她看到的景象——箱子里面的物理定律,必須和其他任何勻速運(yùn)動(dòng)中的情形是相同的。(如果光在箱子中不沿直線傳播,這一實(shí)驗(yàn)將告訴她箱子正在下落,從而與等效性原理產(chǎn)生矛盾。)

但對(duì)身處箱子外面的我們來(lái)說(shuō),這一實(shí)驗(yàn)又是什么樣的呢?從我們的角度看,激光束的傳播路徑不再是一條直線——相反它會(huì)沿著如圖所示的曲線路徑行進(jìn)。由于箱子正在下落,因此當(dāng)光到達(dá)箱壁的時(shí)候,箱壁已經(jīng)發(fā)生了移動(dòng)。這時(shí),如果要使激光束依然按照箱子內(nèi)的觀察者所見(jiàn),直接擊中箱壁上(正在自由落體中)正確的點(diǎn),這一束沒(méi)有質(zhì)量的激光也必須做自由落體運(yùn)動(dòng)。光必須和箱子中的人(以及箱子本身)產(chǎn)生對(duì)引力完全相同的響應(yīng)。

當(dāng)愛(ài)因斯坦進(jìn)行這部分假想實(shí)驗(yàn)時(shí),他發(fā)現(xiàn)他的結(jié)果對(duì)光的行為有著重大的含義。和任何有質(zhì)量的物體相同,光能量也必須受到引力的影響——在有引力場(chǎng)存在的情況下,光將沿一條彎曲的路線前進(jìn)。

由此,愛(ài)因斯坦的關(guān)鍵論述可以概括為以下幾點(diǎn):

●引力等價(jià)于加速度。

●自由落體可以被定義為零加速度。

●因此,一個(gè)做自由落體運(yùn)動(dòng)的觀察者,等同于一個(gè)做勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者(沒(méi)有引力場(chǎng)),所以她無(wú)法判斷出自己正在下落。

●因此,引力必然會(huì)像影響質(zhì)量那樣影響光線(否則,觀察者就可以利用光線,找到一些聰明的方法來(lái)分辨他們是否在下落),即在引力場(chǎng)的作用下,光會(huì)沿一條彎曲的路線傳播。

引力對(duì)光的影響不僅是理論上的——我們已經(jīng)看到了它在現(xiàn)實(shí)世界中的效果。由于引力的作用,當(dāng)光遠(yuǎn)離一個(gè)巨大物體時(shí)會(huì)損失能量。和一個(gè)球被拋到空中時(shí)將失去能量的原理一樣(球要克服地球的引力做功),當(dāng)光從地球表面?zhèn)鞑サ揭粋€(gè)更高的高度時(shí),也會(huì)失去一部分能量。這種能量的損失被稱為引力紅移(gravitational redshifting)。7對(duì)光來(lái)說(shuō),能量的改變等同于顏色的改變。我們所看到的藍(lán)光是一種比紅光能量更高的光。如果將一束藍(lán)光從地球表面向上發(fā)射,并由一架盤旋在高空且配置有高敏光探測(cè)器的直升機(jī)進(jìn)行探測(cè),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光束的視覺(jué)顏色發(fā)生了改變,并非常輕微地朝光譜的紅端移動(dòng)——即“紅移”。