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看爱因斯坦如何推翻牛顿力学 广义相对论百年

由站长搜索于 2015-11-26 06:57:13 整理发布    

100年前,爱因斯坦发表了用几何语言描述的引力理论――广义相对论。广义相对论阐明了物体的质量使时空(时间和空间)扭曲,扭曲的时空产生了使物体互相吸引的引力的道理。那么,这一伟大理论是怎样诞生的呢?

1915年11月25日,一位天才物理学家提出了一个颠覆人类常识的大理论――广义相对论。简单地说,广义相对论就是这样一条理论:任何一个物体的重量(质量)都能引起时空的扭曲,产生引力。

那么,天才物理学家阿尔伯特・爱因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)是如何建立这个伟大理论的呢?

改变物理学的“狭义相对论”

在广义相对论诞生大约10年前,1905年,爱因斯坦发表了“狭义相对论”。狭义相对论极大地改变了当时物理学对时间和空间的认识。

英国物理学家艾萨克・牛顿(Isaac Newton,1642~1727)确立的物理学基础―牛顿力学认为,空间的间隔(物体的长度)和时间的流逝是绝对的,从任何时间点、对任何观察者来说都是一样的。即,1米的尺,任何时候、任何人看都是一样长的;1秒,任何时候、在宇宙的任何地方经过的都是1秒。

但是,狭义相对论认为,物体的长度和时间的流逝,是随着不同的状况变化的。运动越快的物体长度越短,时间流逝得越慢。

取代牛顿力学的“广义相对论”

狭义相对论和牛顿力学之间有很大的矛盾。根据狭义相对论,自然界的最高速度是真空中的光速,每秒为30万千米。而牛顿力学认为,所有物体之间,都有与之成正比例的“万有引力”互相吸引(万有引力定律)。并且无论两个物体离开多远,这个万有引力的相互作用都不需要花时间。也就是说,力的传递速度比光速还要快。

实际上,已经观测到用牛顿力学解释不了的自然现象。牛顿力学的毁灭就在眼前。

因而爱因斯坦就想,能不能把引力和相对论结合起来。在重组相对论的过程中,他采用了自己的老师、德国数学家赫尔曼・闵可夫斯基(Hermann Minkowski,1864~1909)提出的时空理论,把时间和空间结合在一起。这样,就提出了前所未有的、物体的质量使得周围的时空发生扭曲的新概念。为了研究扭曲时空,需要曲面数学。因此他接受了共同研究者、数学家马塞尔・格罗斯曼(Marcell Grossmann,1878~1936)的提议,不用欧几里得几何学(Euclidean geometry,在平面和非扭曲空间上研究图形的数学),而是用研究曲面上图形的黎曼几何(Riemannian geometry)进行研究。

牛顿力学和广义相对论中的引力、时间、空间的概念是不同的。因此,对行星公转运动的解释也不同。在牛顿力学中,时间和空间是绝对不变的。并且,物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力,所以围绕太阳公转。另一方面,根据广义相对论,物体的质量使时空扭曲,产生引力。因此,行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”(凹陷),围绕太阳公转。

牛顿力学和广义相对论中的引力、时间、空间的概念是不同的。因此,对行星公转运动的解释也不同。在牛顿力学中,时间和空间是绝对不变的。并且,物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力,所以围绕太阳公转。另一方面,根据广义相对论,物体的质量使时空扭曲,产生引力。因此,行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”(凹陷),围绕太阳公转。

时空扭曲的观点,极大地改变了对引力的认识。爱因斯坦认为,物体受到引力彼此靠近,是因为物体的质量使得周围的时空发生扭曲的缘故。这就和在橡胶垫子上隔开些距离放两个球,当球周围的橡胶垫子开始凹陷时,球就开始沿着凹陷转动、互相接近的原理一样。

爱因斯坦认为,不仅是物体,光的传播路线也受引力的影响发生弯曲。光为了沿着扭曲的空间“笔直地”前进,自然就弯曲了。也就是说,爱因斯坦认为:物质的质量使时空扭曲,扭曲的时空产生和引力一样的作用,使得物体接近或者使光弯曲。并且,在巨大的质量旁边,时间的流逝也会变慢。

《广义相对论》原稿第一页。1915年,36岁的爱因斯坦在柏林大学当教授时,发表了有关广义相对论的最初论文。翌年,在德国的《物理年报》上发表了广义相对论。

这样,广义相对论在1915年诞生。实际上,在广义相对论发表的当时,还没有发现它适用于解释什么现象,根本没有人认为它是能够被实验证明的理论。但是到了20世纪60年代,发现了除用广义相对论之外几乎不能够解释的天体和现象,后来又经过了各种各样的实验检验,它的实用性得到了证明。

实际上,除了取代牛顿力学的广义相对论之外,还出现了其他解释引力的各种理论。例如,排除作为广义相对论特征的“扭曲的时空”的理论、空间扭曲方式不同的理论,还有像美国物理学家罗伯特・迪克(Robert Henry Dicke,1916~1997)提倡的那样,在广义相对论中加入了新要素的理论。但是,它们要么没有通过实验的验证,要么不能解释观测到的事实,从而得不到支持。

广义相对论需要修正吗

在快要进入到21世纪的时候,人们认识到宇宙是加速膨胀的。这是因为宇宙中充满着一种名为“暗能量”的未知能量,它能够把空间撑大。也有不设暗能量,而修改广义相对论来解释的动向。但是,广义相对论能够顺利解释各种现象,在数学上也是非常完美的,修正广义相对论的动向得不到广泛的支持。

时至今日,多数科学工作者都根据广义相对论理解宇宙。世界各地都在试图探测广义相对论预言的引力波等现象。广义相对论诞生的100周年中,人们对它的评价也发生了巨大的变化。下个100年,广义相对论又将会走上怎样的旅程呢?

本文节选自《科学世界》2015年第5期《广义相对论100年》。

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