书城科普爱因斯坦的圣经
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第14章 新约(12)

一切都是相对的。

第一章:错误的定律

难道自然不是以这种方式运作吗?

现在,我们很有必要知道,牛顿运动定律有些许瑕疵。它们并不永远正确。它们就像一些伪预言家一样,有时会使我们步入歧途。

真实的定律应是爱因斯坦的狭义相对论。狭义相对论是真实的,因为它永远正确,且已为众人接受。你我所有之人都应服从这些定律。

当一个物体慢速运动,在牛顿定律与爱因斯坦定律之间不会有显着差别。因人类已习惯于人类自身的运动,而人类的运动速度与光速相比就微不足道,这使许多人误以为牛顿定律总是对的。将牛顿定律外推到高速运动的物体就会出错,而人类的大脑又很难抗拒这种外推。这就使人类经常感到困惑,人类的心灵就是如此渺小。

第二章:狭义相对论的六条原理

若不考虑引力,所有物体的运动均受制于狭义相对论的六条原理。第一原理为:所有的物理定律对于所有匀速运动的观察者而言均是同一的。第二原理为:光速不变。第三原理为:物体的运动速度不可能超过光速。第四原理为:时间与空间是四维时空的组成部分,其简称时空。第五原理为:作匀速运动的观察者在两个事件之间的时间间隔与空间间距不同,但他们会在时空间隔上取得一致。第六条原理为:质能等价,静止不动的物质的能量等于其质量乘以光速的平方。即E=mc(上标2)。

第三章:第一原理

狭义相对论的第一原理为:对于所有匀速运动的观察者而言,所有的物理定律均是同一的。何为匀速运动的观察者?其指以一固定方向匀速运动之物(也包括人)。第一原理意味着什么?其意味着:一个在静止状态中做的实验与一个在沿某固定方向匀速运动的状态中做的实验,二者结果相同。假定你居住在外层空间的一艘火箭中,不论这艘火箭是静止的,还是匀速运动的,台球均会以同样的方式反弹。同理,在这样的情形中,放射性元素也会以同样的方式衰变。这是非常自然的,因为当你身居漆黑的外层宇宙空间,你无法区分火箭是处在静止状态,还是作匀速运动。因此,在不同匀速运动坐标系中的观察者看来,所有物体的运动属性均是同一的。

第四章:第二原理

由于光速不变是一自然定律,因此,依据第一原理,对于所有匀速运动的观察者而言,光速均是一样的。这也就是说,所有匀速运动的观察者测得的光速都是一样的。如果你在一艘匀速运动的火箭中,不论光是朝向你,还是背向你,你测到的光速都是一样的。而且,不论火箭是静止还是做匀速运动,你测得的光速也是一样的。对于每一匀速运动的观察者而言,光速不变。这已成为一个最基本的概念。这也意味着,光速是恒定的,其值稍小于每秒30万公里,这一值被标为“C”。

狭义相对论的头两则原理尤为重要,因为狭义相对论的其他原理均是由此导出。

对于信奉牛顿力学体系的人来说,光速不变很使他们困惑。因为对于牛顿力学,一个物体的速度完全取决于静止与否,但在自然界,光不遵守这一规则。

第五章:第三原理

第三原理是:无论何种条件,物体的运动速度均不会超过光速。即时联络是不可能的,这对因果律产生极大的影响。倒如,在宇宙中一处物体的运动,不能即刻对另一处的物体产生影响。比如,当距你一万光年之外的一颗超新星爆炸,当下你看不到任何东西,你必须等待光到达你的所在之地。你必须等一万年才能看到超新星的爆炸之光。也就是说,你今天看到的是久远以前爆炸的超新星。

光速之限,也会使信奉牛顿体系的人感到困惑。因为,在信奉牛顿体系的人看来,只要有外力,物体就可以无限制地加速。

第六章:第四原理

狭义相对论的第四原理称:时间是四维时空中的第四维,以秒衡量的时间如何成为以米来衡量的空间?时间如同黄金,黄金是一种金属,但它也是钱,将黄金转换成钱,需要我们知道黄金与钱的兑换率,也就是多少美元能兑换一盎司黄金。同理,时间无非以时钟的嘀嗒来计,而时钟的嘀嗒声,是可以长度衡量的。什么是时空的兑换率?光速即为时空的兑换率。要将时间转换成距离,我们只需将时间乘以光速。一秒钟的时间等于30万公里的距离,这也被称为一光秒。一分钟的时间等于180万公里的距离,一年的时间等于946亿公里,这也就是所谓的一光年。光年是一距离单位,而非时间单位。例如,距我们最近的一颗行星(Alpha Centuri)的距离是13/3光年,太阳到地球之间的距离是25/3光分,当时间代表长度时,我们称其为C时间。

对于信奉牛顿体系的人,四维时空中的第四维会使他们困惑不已。因为,在他们看来,视觉世界是三维的。但一位具备“爱因斯坦式的大脑”的人,可以想像出一种四维时空的图像。

第七章:第五原理

第五原理称时间间隔与空间距离不是普遍不变的,而是依观察者而定。例如两位相对运动的观察者,就会为两个事件是否同时发生而产生分歧。同时他们对一个物体的长度也会意见不一。然而,在四维时空中,他们能就物体的间距达成一致。这种情形与毕达哥拉斯定理所说的直角三角形两直角边的平方之和等于弦的平方类似。假若让两位几何学家,画直角三角形,其弦固定,那么,他们会画出无数个直角边长短不一,而弦相等的直角三角形。在此,直角三角形的弦就相当于四维时空中的间距,而两个不断变化的直角边相当于两个分立事件之间的时间间隔与空间间距。这样就有了一种相对论的毕达哥拉斯定理:四维时空中的两事件的间隔的平方等于其空间间距的平方减去其C时间间隔的平方。

尽管时间与空间溶成一体,但信奉牛顿力学的人与信奉爱因斯坦相对论的人,均认为时间还是有别于空间的。

更有甚者,既使在知识分子中,长度与时间概念依然众说纷纭。在狭义相对论中,两位作匀速运动的观察者观察到的空间间距与时间间隔之间的关系会得到精确定义。这种关系被称为洛伦兹变换。那些理解洛伦兹变换的人就不会为常人所争论的长度与时间概念所困扰。

对于信奉牛顿体系的人,两分立事件之间的距离与时间间隔的变化会使他们陷入迷茫。因为在他们看来,时间与距离是不变的。诚然。当观察者以相对较低的速度运动时,观察者很难觉察到时间与距离微小的变化。现在由于C时间被引入四维时空,时空已不再是欧几里德式的,四维时空是闵可夫斯基空间。在那里,三角形的内角和不再等于180°。

第八章:第六原理

第六原理称:E=mc(上标2),因为c的平方等于九千千亿每秒平方的每米平方,那是一个很大的数字。因此,很小质量的物体,可产生巨大的能量,这也就是核武器能产生巨大威力的原由。

质能等式会使具备“牛顿式大脑”的儿童感到困惑。但当这些儿童长大成人,他们就会理解E=mc(上标2)。

狭义相对论尽管难以理解,但人们应诚信它。因为狭义相对论是真理。

物理学之第六书,称为广义相对论及引力

时空将弯曲。

第一章:等效原理

牛顿力学引力说与相对论不相容,故牛顿引力稍有谬误,且包含有谎言。但是,这谎言并非一眼即可看穿。如引力很弱。此引力谎言即不易看穿。但当引力强大时,谎言就大白于天下,牛顿引力说立现破绽。

牛顿引力学说为17世纪夜观天象之产物。时过境迁,爱因斯坦引力说接踵而至,此为20世纪大思想。全新、更好的引力说由此而生。这就是广义相对论及引力说。

你若乘火箭飞升太空,远离地球,远离太阳,也远离其他天体,你就无重力可言。你随宇宙飞船漂浮太虚幻境,四周亦有物体绕你浮动。之所以如此,是因远在太虚之境,人无重力可言。

假如你进入高层建筑的电梯,钢索绷断,你及周围人会随电梯飞降。因你与电梯同速下降,双脚会轻离电梯地面,你也会飘动起来。因其他人与你亦为同速下降,他们也会在空中浮动。故此,你即为一自由落体,好像感觉不到任何的重力。如同身在太空火箭内飘动,也如同有伟力斩断重力。

假设你在无窗的太空舱里浮动,有钢索固定在太空舱的顶层,另一头系上火箭,并开始移动。钢索会绷紧,会拉动舱体。火箭加速,太空舱会一同加速前进。此时,你会感觉到停止飘动,你的脚会接触舱板。此为何故?是第一运动定律的原因:火箭移动并拉动钢索,但你仍旧处于非运动状态,你身体原本未动,仍保持不动的状态。太空舱受火箭拉升,一直上升,会触及你的脚。从你的角度看,就好像有伟力的巨人突然间打开重力开关,让你突然间降落到舱板上。现在你站着,你的脚就在舱板上。你感觉到什么?你感觉到舱板在用力推动你的脚。为何如此?是因为有第二运动定律:火箭发动引擎,拉动太空舱,因此,太空舱加速前进。因你站在舱板上,你即与火箭一同加速。你被迫改变自己的速度。因此,根据牛顿第二运动定律,有一种力作用于你的双脚。舱板用这种力推动你的双脚。你不知此力何来,因你无参照物,亦不知火箭的存在。你会觉得是引力在拉动你向舱板移动。

这新的洞见于1916年启发爱因斯坦和人类了解到了引力,对引力的新见解突然间打开,就如同某人倏忽间扭亮了电灯。

电梯跟火箭象征等效原理,就是说,不可能区分加速系统与引力。

第二章:时空弯曲

等效原理如何演变成广义相对论?答案必须由时空弯曲给定。引力为空问及时间弯曲所致。牛顿第一定律可予归纳为,不管是否处于引力影响之下,一物体会在时空几何上沿最短路线移动。此路线为最短程线。在平直的表面,最短程线即为一直线。如无引力场存在,时空亦为平直时空。平直时空中的直线运动将对应于匀速运动。如无引力场存在,静止的物体会保持静止,或说,以匀速进行直线运动的物体将继续沿同一条直线进行匀速运动。因此,如无引力存在,牛顿第一运动定律符合广义相对论。但是,当有引力场存在时,时空将弯曲,最短程不为直线。时空会扭曲,如同在球体中一样,球面两点间的最短程是一根圆弧线。物体在弯曲时空中沿最短程移动时,该物体会加速,因为它是在沿弯曲路线前进。因为它加速,故一种力会作用其上。此力即为爱因斯坦引力。

因此,如无其他力存在而只有引力存在,则物体会沿最短程前进。这种力要多自然有多自然。

是什么引起时空弯曲的呢?是质量。浓缩的质量会使时空发生相当大的弯曲。大量弯曲会引起最短程高度弯曲。高度弯曲的最短程亦对应高水平的加速,因而也会产生强大的力。离重的物体越近,弯曲程度亦会增大。但是,远离此类物体时,弯曲会非常微弱。因此,引力会随距离的增大而减小。而在弱引力上,爱因斯坦和牛顿引力几乎相等。

地球如何吸引太阳?可将太阳比作加农炮弹,地球比作一粒卵石,床面比作时空。如果加农炮弹放在床上,床面不是会陷下去一些?如果抛起卵石,落在床上滚动,卵石不是会朝铁炮弹滚去吗?卵石为什么会这样?这是因为床面的原因,即床面已经不是平直的了。

第三章:爱因斯坦引力说的后果

在行星的运动中,爱因斯坦引力说不会与牛顿引力说产生很大的差别。比如,根据爱因斯坦的相对论,椭圆形的水星轨道会在每个世纪旋转43弧秒。

我们大家都须明白,引力波的确存在。引力波如同电磁波,但是,震荡的是引力场而不是电场或磁场。可叹的是,引力波太微弱,目前还无法为20世纪能力有限的科学仪器检测到。不过,双脉冲星1936+16可放射出此种不易见到的波束。经引力辐射过程丢失的能量会引起脉冲节拍的变化。科学家利用射电望远镜可检测到微细变化,并间接地“感触到”这种引力波。因此,科学家可以通过倾听而看到。

由于空间在面对巨大物体时会发生弯曲,跟光一样的物质便会受到影响。因此,光在通过如太阳、银河系或者黑矮星体等巨大物体时会发生弯曲,光会因为引力场而发生变形。因此,太阳背后的恒星发出来的光会在经过太阳时发生弯曲。从类星体上发出的遥远的光芒在通过巨大星系时将发生折射,因此而形成这个类星体的双像。这跟一个人所戴的厚眼镜会在镜片上形成“双眼皮”一样。光经过黑矮星时被聚集,这样的一个物体就有了凸透镜的表现。因此,当这样一种非发光体经过一颗恒星时,这颗星会明亮起来。跟人的直觉所感觉到的不一样,星光不会被这个物体挡住,而是会被聚集,其效果就好像聚集到一个放大镜上,它会在一张纸上形成明亮的太阳光点。

天体物理学上所有的这些物体都将是引力透镜。这种效果就是引力透镜作用。

没有哪一种引力会以别的任何方式影响光。在有引力存在的地方,光穿过此地带的时间会更长一些。看起来会像是这样一种情况,就好像光速比在真空中的速度更低一些。比如,当光接近太阳时,将进入一个弯曲空间地带。通过太阳时,光会比如果太阳不在那个地区走更长一段距离。就如同一只卵石落人一只碗中再滚出来一样,这样一个通道比卵石从碗的一边走到另一边要长一些。接下来是第二种爱因斯坦引力作用:光子脱开引力时会丢失能量。因此,如果人们站在地球上,并“向上抛出光子”,那么,这些光子就会跟火箭、球和鸟一样失去动态的能量。当光子失去能量后,它们的波长会增大。这会使蓝色的光变得有些黄,黄光变成红光,红光会变得更红。因此,光谱稍稍向红的方向移动。这种现象就称之为引力能量红移。因此,在地表生成的光在地球高处会发生小小的红移。从任何一种大型物体的表面发出来的光也应该都具有这样一个特性。

作为广义相对论的结果,宇宙一直而且正在扩张。宇宙的扩张应该存在,因为时空因此才有可能弯曲和形成动态的性质,它会延伸、扭动或者收缩。

现在,如果在任何一个空间集聚了大量的质量,时空将弯曲,以便使自己能够收归一处。包括光在内的任何东西,都不可能逃逸。这样的物体将是一个黑洞。在广义相对论中,就应该存在黑洞。诚然,黑洞将为“人类所见”,但非以人眼,而是以其他的方式。

物理学之第七书,称为量子力学

蜂鸟振翅飞动,但其翅膀的扇动并不为人眼所见。

第一章:相对于经典力学的量子力学

万物皆遵从量子力学的原理。没有哪一种物体、粒子、原子核或者原子能够超脱其法则,因为量子力学为已被打破的万有定律中未为人所打破的那一部分的基础性的结果。

经典力学和量子力学不相容。一种是半个真理,另一种是真理。量子力学应为真理。