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《Maple Leaves枫叶》杂志

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《枫叶》2014年第三期(9月)《科普园地》《相对论(下)》 笑 禾  

2014-11-03 17:02:09|  分类: 科普园地 |  标签: |举报 |字号 订阅

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相对论(下)

 

 

广义相对论

广义相对论是关于引力的理论。

爱因斯坦创立狭义相对论以后,为了把它推广到非惯性系统,他便又投入到广义相对论的研究。历时十年之久,又创立了广义相对论。

假如有一个升降机,远离地面,使我们能在其中有足够的时间来进行实验。突然,升降机的钢缆断了,它将自由下落。我们来看看升降机内、外两个观察者的所见所闻。

外观察者(简称外):升降机处在地球的引力场内,升降机本身、里面的人和物都以同样的加速度下降。升降机内部处于失重状态。里面观察者手中脱落的物体,如一支钢笔或一只手表,它们与升降机地板的距离保持不变。所以它是一个非惯性系统。

内观察者(简称内):我看到这里没有任何力作用于物体,一切都是静止的。我松手脱落的钢笔、手表就停留在它们掉下的那个地方。如果我向上或向下推它们一下,它们就作匀速直线运动,直至碰到天花板或地板。这是一个实实在在的惯性系统。

现在假设升降机又以不变的重力加速度向上运动,再来看看升降机内、外两个观察者见到的现象。

外:我看到升降机以不变的重力加速度向上提升,因为是有一个恒定的力作用于它。里面的观察者如果释放物体,它会立刻碰到地板上,因为地板是朝着物体向上运动着的。当内部观察者跳起来的时候,地板就会立刻向上,贴到他的脚掌上。

内:我松手释放的物品,都落到地板上了。我跳起来之后,马上就落回来,脚又重新踏在地板上。这里发生的一切,都和我在地球上看到的一模一样。

两位观察者所说的都有道理,只是他们所处的系统不同而已。爱因斯坦认为,可以采用任何一位观察者的描述:或者依照外部观察者的主张,认为升降机作非匀速直线运动,而没有引力场存在;或者依照内部观察者的主张,认为升降机是静止的,而有引力场存在。

爱因斯坦的这个伟大的发现,奠定了广义相对论的基础。使得惯性系统和非惯性系统通过“引力”这个桥梁,将它们二者沟通起来。

再回到上升的升降机里。一颗子弹从左壁射入,外部观察者看到,当子弹在行进的过程中,升降机正在不断地向上升高,所以子弹到达右壁时,要比射入点偏低一些。升降机上升得越快,子弹就越比射入点低。升降机里面的观察者则认为,子弹是重力吸引的结果。如果有一束光线射到对面墙壁上,它也将走一条弯曲的路线。爱因斯坦由此断言,光线在引力的作用下,要走弯曲的路径。

爱因斯坦认为,引力和空间的几何性质有关,引力的存在是空间弯曲的结果。广义相对论还得出,在引力场内长度要缩短,时间要变慢。

有一个“二维生物”趴在一张弹性薄膜上。所谓“二维生物”,就是说,它只有平面的观念,没有立体的感觉。膜上有一个大球,陷在被压弯了的凹深处。附近另有一只较轻的小球,它会滚向大球那里。由于“二维生物”没有高度的感知,所以它认为大球与小球的碰撞,是大球把小球吸引过来的缘故。具有三维感知的生物看到的是,小球溜向大球,则是压弯了的薄膜造成的结果。前者是牛顿的观点,后者是爱因斯坦的观点。

广义相对论预言的三个现象,都已得到了科学验证。

光线在引力场中弯曲

爱因斯坦预言光线在太阳附近要弯曲175〞,经过多次日全食的观测,都得到了满意的符合。

 

水星近日点的移动

水星绕太阳运动是椭圆形的轨道,太阳位于一个焦点上。实际发现,水星在其轨道平面上缓慢地移动,大约每一百年移动43〞。广义相对论预言的结果是4303〞,与实际很好地符合。

光谱线的红移

高温下,每种化学元素都会发出一定频率的光谱线。因为时钟在引力场里要变慢,所以从强太阳中发出的光谱线,要向频率低的一端 (红端)移动。在1959年和1971年科学家们的观测中,均已得到了证实。

神话中有“ 空中方数日,地上已千年 ”的故事,在广义相对论里可是事实。一对孪生兄弟,其中一人乘高速飞船作宇宙飞行。当他返回时,发现自己比留在地球上的兄弟年轻。因为飞船不再是惯性系统,所以引起时间变慢。

在处理高速运动的微观世界(如核爆炸、高能物理等)、在处理强引力场的宏观世界(如天体物理、宇宙科学等),牛顿理论就不再适用。爱因斯坦的相对论不仅能够给出低速,而且也给出了高速的运动规律;不仅对弱引力场,而且对强引力场的问题也能很好地解决。由此,牛顿力学只不过是相对论的一个特例而已。

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