52攻略

首页 > 最新文章 / 正文

广义相对论的故事,爱因斯坦是怎么想到的,竟出自于对帽子的观察

Weave 2020-09-09 最新文章

1905年狭义相对论问世,这一理论很优美,但也暴露出了一些不足:它不能把牛顿的引力定律囊括进来,而且只限于描述物体的匀速运动,不适合于加速运动。

爱因斯坦曾说,为了纠正这两个致命的缺点,他'如瞎子摸象般'困惑了近3年,一直不知从何处入手。直到1907年,他突然找到了一个突破口,其线索是从一个'封闭电梯'的假想实验中获得的,令他没有想到的是,这两个致命的缺点竟然一下子得到了解决。

假定你站在一台封闭的电梯里,外面什么情况你都不知道,你也无法看到。这时,如果你突然感到脚与地板间有了压力,你会做出什么结论呢?是电梯在加速上升呢?还是电梯外面有了向下的引力场,使你受到重力了呢?你将无法辨别哪个结论是对的;同样,当你在电梯里'自由漂浮'着,你也辨别不清,是这台电梯在自由下落呢,还是外面失去引力场了呢?

电梯的假想实验说明了一个极为关键的事实,爱因斯坦由此得出了一个重要的原理:'加速运动与引力场在物理现象上是彼此等效的',这就是著名的爱因斯坦'广义等效性原理'。

这个结论至关重要,它不仅成为爱因斯坦探求引力实质的先导,也成为广义相对论的基本原理之一。像狭义相对论一样,广义相对论的另一个基础也是'光速不变原理',它的含义是:'无论你是静止的还是运动着的,无论你作匀速还是加速运动,或者说,无论你所处地方的引力场是强还是弱,对你来说,光在真空中的速度永远不变。'广义等效原理与光速不变原理,成为爱因斯坦广义相对论理论大厦的两块基石。有了这两块基石,又该如何构建出包括加速或引力的广义相对论大厦呢?

就在爱因斯坦一筹莫展的时候,他的好朋友保尔·埃伦费斯特发表了一篇文章,令他如梦方醒。在这篇文章里,埃伦费斯特也提出了一个假想实验,即'旋转圆盘佯谬'实验。

埃伦费斯特的假想实验是这样的。假定能找到一个特大的圆盘,它要多大有多大,然后使它匀速转动起来。根据狭义相对论运动的'尺缩效应',物体的长度将在沿着它运动的方向上'缩短',圆盘上各点都沿着切向运动,所以沿切向的长度,也就是运动的圆周长要缩短。切向速度越大,也就是半径越大的地方,圆周长缩得越短。然而在圆盘旋转中,它的半径方向并没有运动,所以各点处的半径长仍然不变。这样一来,就导致了一个很奇怪的结论,圆周长将小于半径与2π的乘积,转动圆盘将不再适用欧几里得几何学规律,离圆心越远,差异越大。

这位好友不费吹灰之力,就把爱因斯坦难住了。困惑之中的爱因斯坦找出来一个解决的办法。他发现,如果把圆盘的'旋转平面'像'帽子'那样'弯曲'起来,在圆周长缩短的同时,也使'旋转半径'跟着缩短,就能把问题解决。这一思考使爱因斯坦恍然大悟,原来,在有加速运动或有引力的'空间'中,不再像牛顿力学空间那样是'平直的',加速或引力的作用会使'空间发生弯曲',引力越强,或加速度越大,空间就弯曲得越厉害。

此时,在爱因斯坦的头脑里渐渐浮现出来一个引力场方程的模式。他认为,描述引力作用的方程也应该像牛顿第二定律那样,一边是产生效应的原因,像作用力那样,是引力的强弱,另一侧应该是产生的效果,像加速度那样,是引力或加速度造成的时空弯曲。他还认为,影响引力强弱的因素应该是物质和它的所有运动,也就是包括物质分布、能量与动量等。

于是,爱因斯坦利用这些物质量组建起一组张量,这组张量就应该是造成引力的物质源,处于引力场方程的一侧。但是,如何找到描述时空弯曲的张量呢?为了寻找适合的张量,他整整花了五年多的时间,几次得手,几次舍弃,最后在他的老同学兼好友马塞尔·格罗斯曼的帮助下,终于找到了一个比较适合的张量来描述空间的弯曲,方程的另一侧也解决了。就这样,爱因斯坦构建起了他的广义相对论的大厦——引力场方程。

爱因斯坦的理论颠覆了牛顿力学的时空观,也使牛顿的引力理论遭受重创。它把牛顿的'引力'彻底废除,这个新理论所提及的'引力'只是名称上的沿用,作为'力'的实质已经不存在。'引力'作用被时空的'弯曲'取而代之,或者说,它只是时空的一种'几何性质',所谓物体的惯性运动,一切天体的运行,甚至光线的轨迹,都只不过是弯曲时空这一'几何性质'的动力学表现而已。

像狭义相对论一样,爱因斯坦的引力理论也非常优美,它堪称一部华丽的艺术杰作。正如德国物理学家马克思·玻恩所说,'我认为,广义相对论的创建是人类关于自然界思考的一个壮举,它是哲学理性的洞察力,是物理的直觉与精湛的数学技艺神奇结合的产物。'一个优美的理论其核心是简单的。爱因斯坦的引力场方程以极简单而优美的形式呈现与世,它的形式如下:[插图]除去不具实质意义的时空角标外,把其字母、运算符号及相关数字加起来,所有字符也只有13个,然而这13个字符却囊括了全部宇宙!

对于世界上大多数人来说,它们似乎只是一堆稀奇古怪的符号,但是知音者却能从中找到共鸣,这个公式中不仅凝聚着爱因斯坦的智力、坚韧、判断力与科学探究的胆识,也蕴含着数学物理两大领域许多的重要成果。1919年,太阳对光线的引力偏折探测使引力场方程得到证实之后,爱因斯坦的广义相对论向全世界奏起胜利凯歌的同时,也引发了一个重要学科——宇宙学的兴起。

1923年,比利时神父、天体物理学家勒梅特求解了爱因斯坦的引力场方程,他得出一个惊人的结论,这就是宇宙创生于一个骇人致密的点,他给这个点起了个名字,叫它'初始原子'。这一秘密的揭开,开创了宇宙学的研究,为此,人们把勒梅特称为'宇宙学之父'。

1921年,苏联科学家和气象学家弗莱德曼找到了爱因斯坦场方程的另一个解,这个解显示,宇宙正在向外膨胀,这个结论后来被天文学观测所证实。几年和十几年以后,由勒梅特和弗莱德曼等人所开创的宇宙学理论有了长足的发展,在此基础上,宇宙创生理论、大爆炸理论、热大爆炸学说,黑洞理论、宇宙结构学、多重宇宙学说,观测宇宙学等各个学科分支与各种学说如千帆驶过,它们都扎根于广义相对论理论之上,都是引力场方程衍生的结果。

广义相对论是20世纪最成功的理论,广义相对论与量子理论并称为当代科学发展的基石。爱因斯坦的兴趣、专一、顽强、坚韧、自信以及乐观的自我批评精神也给后人留下了宝贵的精神财富。他所创建的理论具有划时代的意义,为纪念这位旷世的伟人,人们把爱因斯坦的引力场方程镌刻在华盛顿特区科学院的爱因斯坦纪念碑上。

Tags:

留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
搜索
网站分类
标签列表