相对论(天外之事7)

 

第10个故事:相对论原文(编辑)引用:1927年,一位比利时耶稣会的牧师,同时也是一位理论宇宙学家乔治....



第10个故事:相对论

原文(编辑)引用:1927年,一位比利时耶稣会的牧师,同时也是一位理论宇宙学家乔治.勒梅特正在梵蒂冈天文台工作。他一边研究爱因斯坦的相对论,一边想提出一种既要符合爱因斯坦的理论,同时又要符合《圣经》中“创世说”的一种包含宇宙创生说的科学宇宙模型,也就是被牛顿的无限永恒宇宙概念排斥的东西。勒梅特当时非常想找到新证据来说明宇宙是有限的,因此宇宙也必然有一个起始之点。

爱因斯坦曾经为了生计效力于瑞士伯尔尼的专利局。他的第一个重要的成果于1905年公之于世,这就是狭义相对论;另一个重要的成果是1915年发表的广义相对论。两个相对论所研究的都是观测者与观测者所看到的事件之间的关系问题。狭义相对论详细说明了当观察者和事件是以一种恒定不变的速度相联系时会发生什么;而广义相对论还考虑到了引力,也论述了当运动物体在加速或减速时将要发生的事件。

爱因斯坦指出,不管在何处观察,观察到某一事件的物理规律应该是相同的。爱因斯坦发现,不同的观察者观察同一个事件,可能会得到不同的结果,这要取决于他们观察时所在的相对位置。这种现象在日常生活中很常见,大多数人可能都经历过。当两列火车停在一个火车站上时,如果坐在其中一列火车上的一个人透过窗户来观察另一列火车,当他观察到火车慢慢开动起来时,他很难一下子判断究竟是哪一列火车开始开动了。他能确切地知道的,只是两列火车中间肯定有一列开动了。然而,另一个站在月台上的人是能够看清其中某一列火车开动了。这就是相对论的观点。

现在来看另外一种情况,一个人坐在火车上,另一个人站在车站的月台上看着火车飞驰而过。在火车上的人面前的桌子上有一个茶杯,茶杯与人之间的距离约有60厘米,在这个人看来,茶杯是静止不动的;但是,在月台上的人透过车窗观察到的,却是茶杯与火车在一起狂奔。

爱因斯坦的非凡洞察力表现在,他认为物理学的运动定律必须具有普适性,比如在以上不同观测者看到茶杯的不同情形的例子中必须对加速度和动量这类相关概念做出说明。而这意味着要理解时间和空间的本质以及它们对发生在其中的事件的影响。归根结底,不同观测者对茶杯观测的不同是由于他们相对于茶杯的不同时间、空间关系。其中一个在时间和空间中随同茶杯一起运动,所以他与茶杯的相对距离和位置总保持在60厘米不变;而另一个观测者相对于运动的茶杯来说是静止在时间和空间中的。所以茶杯是在运动之中并飞快在视野中消失。

点评:相对论说火车上的人与茶杯在时间和空间中随同茶杯一起运动很好理解,说月台上的人在静止的空间中也好理解,如果说,月台上的人“在静止的时间中”这一点不好理解,时间似乎从来没有静止过。关于这一点,可能应该这样理解:“在静止的时间中”指的是“时间没有运动”的意思。时间和空间是捆绑在一起的两个概念。有时间的地方就有空间,有空间的地方就有时间。时间和空间是可以相互转换的。举例来讲,在火车站的售票大厅中,如果有足够大的空间,就可以同时开100个窗口售票,对于排队买票人来说,只用较短的时间排队就能买到票。这是空间大,时间就可以短的例子。如果售票大厅只开10个窗口,排队买票的人就要花更长的时间才能买到票。这是空间小,时间就必须长的例子。这也是时空转换的例子,空间不足,花长一点的时间同样可以完成某项任务。反之亦然。所以,问题的关键是“只要空间没有运动,那么与空间绑定在一起的时间也没有运动”,这与“时间在流逝”的概念不同。我们可以把这件事理解为:时间在流逝,但时间没有运动。月台上的人在看运动火车上的人和物时,看见的是空间和时间在一起“运动”。而月台上的人看自己却是空间和时间都没有“运动”。

原文(编辑)引用:为了描述上述的这种关系,爱因斯坦推导出一组包含了时间和空间性质的数学方程式。爱因斯坦指出,牛顿对引力的解释必须完全改写,尽管它似乎是很精确的。爱因斯坦进一步说,两个物体并非如牛顿所描述的那样直接地互相吸引,而是每个物体对周围的时间和空间产生影响,引力则是这种影响的结果。如果这种解释还难以理解,设想用一个较重的物体(例如炮弹)来代表太阳,把它放置在一大张紧绷的橡胶薄片上,这张橡胶薄片就代表时间和空间;于是,炮弹的重量会使薄片下沉,在炮弹周围形成一个圆锥形的坑。这种形状会令我们回忆起在生活中见过的一个充满水的水池,如果拔下底部排水管上的塞子开始放水,那么在水池中的水面上就会出现一个在旋涡中的圆锥形下陷。

爱因斯坦解释说,当一个大质量的物体以上述的方式引起时空的弯曲时,这种弯曲的时空会自然而然地影响到在其中运动的任何较轻物体的运动轨迹。所以,如果用一个较小的球来代表地球或别的行星,那么这个小球(地球或其他行星)就会在代表时空的橡胶薄片上滚向炮弹(太阳)这个大球造成的凹陷(弯曲时空)运动。如果小于运动速度很低,那么它就可能掉入凹陷之中,与大球挨在一起(这就如同牛顿看到的苹果从树上落下,掉到地球表面上);但如果小球的运动速度足够快,那么它的运动轨迹只会稍稍向凹陷所在的方向偏移一点,然后从另一面滚出来,并继续向前运动。而如果小球的运动速度既不太慢也不太快的话,就会形成它围绕凹陷的曲面不停的圆周运动,这就像杂质运动员有时骑摩托车表演的“飞车走壁”。

点评:在1915年爱因斯坦提出广义相对论后,据说全世界只有七、八位物理学家能够理解“时间会变长或变短”和“空间会弯曲”这两个概念。但实事上爱因斯坦的相对论是更准确地描述了宇宙的情况,而牛顿三大力学定律仅仅是爱因斯坦公式中的一种特例。换句话,爱因斯坦的相对论包含了牛顿定律。

点评:同一个物理事件应该有同样的物理结果,这是很好理解的,但爱因斯坦发现由于时间和空间的不同造成同一个物理事件有不同的观察结果,所以他提出狭义相对论把这个问题解决了。在这一点上,所举的例子与多普勒发现的“多普勒声光传播原理”有些类似,都是时空的不同造成的了“同一个物理事件,但火车上的人和月台上的人听的汽笛声音是不同的”效果。至于爱因斯坦的广义相对论的确不好理解,虽然作者举了十分形象的例子,但深究起来还是没有找到一个在地球上人类生活中常见的例子来进行比喻。炮弹、橡胶薄片、下沉、圆锥形凹陷的例子十分形象,但要注意的一点,对“炮弹(大质量星球)的重量会使薄片(周围的时空)下沉从而形成一个圆锥形下沉的坑”的形象比喻仅仅是一个比喻,估计正确的理解是,不是只有炮弹的重量“从上面”把这张橡胶薄片压沉形成了一个“向下的”圆锥形的坑,而是从任何一个方向都会出现一个“圆锥形下沉的坑”。关于这一点很不好理解,但是可以借鉴“地球上面的人会因为地心吸引力往下掉,而地球下面(另一个半球)的人也会因为地心吸引力往下掉”事实进行理解。

(To be continued)


    关注 朱晋蜀


微信扫一扫关注公众号

0 个评论

要回复文章请先登录注册