《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第29节作者:
浅论物理 光速不变原理在以后的实践中已被多次证实。但是对狭义相对论中的时间膨胀效应,早就有人提出了质疑,实际上也是对“超光速在物理学中是不可能的”这一结论的挑战。这是在1911年4月波隆哲学大会上,法国科学家朗之万用著名的“双生子佯谬”来进行质疑的。他所设想的实验是这样的:一对双胞胎,一个留在地球上,另一个乘坐飞行速度接近光速的火箭到太空中去旅行。当太空旅行的双胞胎回到地球时,才不过两岁。而他的兄弟早已去世了,因为地球上已经过了200年了。该佯谬说明“狭义相对论”在逻辑自治性上还存在不完善的地方。爱因斯坦认为没有“绝对时间”、“绝对空间”。时间、空间、运动、质量都是相对性的;而不是绝对不变的,它们随着物质运动速度越高变化越大。同时空间和时间既不可分割又可以互相转化,这就是“狭义相对论”的主要内容。它未能解决加速度和引力的问题,这也是它的不足之处。
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日期:2009-12-07 08:14:52
“广义相对论”是在1915年由爱因斯坦独自创立完成的。它把狭义相对论原理推广到对于任何参考系都适用的范围。实际上“狭义相对论”其实是在推出广义相对论的时候,为了和原先的没有包含重力的理论区分开,而将那个旧理论改称作“狭义相对论”的。
“广义相对论”是阐述关于时间、空间和万有引力的理论。空间与时间不仅与物质的运动速度有关,而且还和物质的质量分布状态有关。在引力场的作用下,时间和空间发生弯曲,质量越大时空弯曲越利害。“广义相对论”是基于“狭义相对论”的;如果“狭义相对论”被证明是错误的,那么爱因斯坦所建立起的整个经典理论大厦都将垮塌。“广义相对论”中引人注目的一个特征是将牛顿力学中的引力简化成为四维时空中的畸曲,用这样的一种几何性质来表示。
爱因斯坦建立“广义相对论”时认为:宇宙中不仅存在电磁场而且同时存在引力场。电磁场是由运动中的带电粒子形成的;而运动的物体形成了引力场。正是由于电磁场和引力场的存在导致了“时空弯曲”。凡是有质量的物质都会相互吸引,光本身也具有质量所以也不例外。而物质越是集中的地方,引力场也就越“密集”,时空弯曲自然也最大,所产生的万有引力也就最大。而“狭义相对论”只能算是在不存在万有引力时的一种特殊的情况。
与“狭义相对论”一样,“广义相对论”也是由两个假设组成的。
爱因斯坦第三假设:引力质量和惯性质量相等。
在这个被称作“等同原理”的第三假设中,爱因斯坦认为物体被引力吸引会产生“重力”这一现象是由于物体有“引力质量”。他又认为,物体还有一种“反抗加速度”的质量,叫做物体的“惯性质量”。他所得出的结论就是:引力质量和惯性质量具有等同性,这也就是他的第三假设。通俗些说,地球上对物体有由于万有引力产生“重量”的质量,它和这个物体自身产生加速度的质量是相等的。他称前者为引力质量,称后者为惯性质量。而当年伽里略在比萨斜塔做的自由落体实验,便是这第三假设的实际例子:大小不同的物体,在自由落体状态以同等的速度、同时落到地上,就是因为各自“引力质量”与“惯性质量”相等。
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日期:2009-12-08 09:49:39
爱因斯坦第四假设:自然法则在所有的系中都是相同的。这个原理被称作“广义相对论原理”。它实质上就是对第一假设应用范围的推广。
广义相对论曾经提出过几个可检验的预言。
第一个预言是水星的近日点的摄动。该现象指出行星在绕太阳运行完每一个周期后并非精确返回到空间的原来的位置,而是稍稍有些前移。这现象其实是在19世纪中叶就已经发现了,但是当时牛顿的天体力学无法对摄动现象做出满意的解释,而相对论恰恰最适用的范围正是在大尺度宇宙中对宏观物理界的研究。
第二个预言是通常所说的“红移”现象。也就是根据天体光谱线“红移”可判别出恒星辐射总是背离地球而远去。1929年“红移”现象被哈勃总结出规律,随即称作为“宇宙学红移”。
第三个预言是光线在引力场中将发生偏转。但是要想观察光线在大质量的太阳旁边经过时发生的偏转现象,只能借助于日全食时方能进行。而1915年当时正处于第一次世界大战的硝烟弥漫之中;直到1919年秋天,英国探险队远征到西非,观察了日全食后向全球宣布:“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言,发生了偏折。”并且还发现了太阳附近的一颗恒星位置有微小的移动;这引起了全世界巨大的轰动。这些事实证实时空符合广义相对论的论述:“时空不是平坦的,它会被物质和能量所弯曲。”这弯曲的空间对公元前300多年欧几里得平直的空间是个极大的冲击;同时也打破了牛顿“绝对空间”的概念。
由于时间——空间的弯曲,我们所生活的世界就不再是欧几里得式的,这意味着圆不再是圆、平行线会发散或相交、三角形的三个内角之和不到180度。
另外还有一个预言,是说在象地球这样大质量的物体附近,时间显得会流逝得慢一些。这在以后“水塔的实验”中得到过证实。
广义相对论的发展史比狭义相对论更显得曲折。由于爱因斯坦一贯反对量子力学中最重要的基本原理“不确定性原理”,就是在广义相对论发表后10年,量子力学于1925年建立后,大家都认为广义相对论仅能称为经典理论。而在大学的课程中它也是被放在经典力学中。直到20世纪30年代,物理学中量子力学等基础专业课都涉及到了狭义相对论,但只有少数数学家在研究广义相对论。一直到第二次世界大战后,又经过了几十年,人们逐渐提高对研究天文学、宇宙学的需求,以及研究引力的兴趣,广义相对论才逐步成了重要的研究课题。
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日期:2009-12-09 08:13:13
广义相对论得出的主要结论是关于引力的问题,它所建立的引力场是与时间、空间有着不可分割的联系。根据广义相对论空间和时间已经形成了被称作时间——空间的四维空间,这个空间不再是平坦的而是会被存在于它当中的物质和能量所畸变或弯曲。也正是这种“时空弯曲”产生了万有引力,反过来引力场也同时在影响着时空的变化。引力场本身以时空的曲率来表示了,而引力也已经是脱离物质的时空曲率,时间和空间本身也是具有物质性本质的一种特殊物质。
广义相对论与探索微观世界的量子力学不同之处,主要是它探讨了大尺度的宏观宇宙。根据爱因斯坦的广义相对论方程预言了:宇宙不是膨胀便是收缩。但是根据他以往根深蒂固的稳态宇宙的观念,认为静止的宇宙是永久存在的。在以前人们对宇宙的起源的认识中认为,自从宇宙诞生的第一天起,它就已经是现在这个样了。为此爱因斯坦不得不在他的方程中添加上了额外的一项宇宙常数。这个所谓的宇宙项具有排斥引力的效应。这样在这把宇宙中的质量与时空曲率可关联的方程中,可以用宇宙常数的排斥始终与物质的吸引相平衡。换言之,由宇宙项产生的负时空曲率正好抵消了由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率,从而用这个方程就得到了一个完美的以同样状态永远继续不变的宇宙模型。
而实际上事情坏就坏在这里了,偏偏是这个该死的宇宙项坏了大事。如果爱因斯坦能坚持他原先没有该宇宙项的方程式,那就必然要得出宇宙不是在膨胀便是在收缩的预言。直到1929年物理学家哈勃发现了远处的星系正在远离我们而去时,人们终于接受了宇宙是变化的论点,承认宇宙正在膨胀,从而从根本上改变了人们对宇宙的起源的认识。爱因斯坦最后不无遗憾的说,增添这宇宙项,“是我一生中最大的错误。”为此人类失去了一次极好的对宇宙发展规律的重大的预言的机会。
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