相對(duì)論簡(jiǎn)解（沈建其）

物理網(wǎng)文 2015-01-03

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在許多人眼里，往往將相對(duì)論與愛(ài)因斯坦等同起來(lái)，也許因?yàn)橄鄬?duì)論與常識(shí)違背太深而給人帶來(lái)的神秘感使得愛(ài)因斯坦本身成為一個(gè)傳奇人物。
    但是實(shí)際上，真正神秘的卻是我們的許多常識(shí)和感覺(jué)，因?yàn)樗鼈兇蠖嗤崆丝陀^物質(zhì)世界的本性。
    愛(ài)因斯坦于1879年生于德國(guó)烏爾姆。16歲時(shí)，愛(ài)因斯坦開(kāi)始考慮這么一個(gè)問(wèn)題：一個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)者將會(huì)看到什么？
    這個(gè)問(wèn)題他思考了十年，直到1905年，愛(ài)因斯坦才終于認(rèn)識(shí)到時(shí)間是值得懷疑的，同時(shí)絕對(duì)性是不可能的。
    與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)家們也在做關(guān)于以太漂移的實(shí)驗(yàn)。所有的實(shí)驗(yàn)表明，牛頓力學(xué)是不精確的。
    一些物理學(xué)家如洛倫茲、龐加萊對(duì)經(jīng)典的牛頓力學(xué)作了些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作，以迎合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，但所有這一切都擺脫不了絕對(duì)時(shí)空觀的框架。只有年輕的愛(ài)因斯坦突破了舊框架的羈絆，提出了相對(duì)論時(shí)空觀。
    相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間、物質(zhì)和能量的理論，同時(shí)也是一門哲學(xué)。因果性人人都懂，凡事先有因，后有果，因果不會(huì)倒轉(zhuǎn)，如果果的發(fā)生速度超過(guò)因，因果就會(huì)倒轉(zhuǎn)，這就要求宇宙中存在著一種速度上限，該速度是不可逾越的。
    現(xiàn)在人們明白，這個(gè)速度就是光速。愛(ài)因斯坦以思辨哲學(xué)來(lái)考察麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)，提出了兩個(gè)基本假設(shè)：
    ①光速不變?cè)?。光在任何慣性系中都是一樣的，與光源的運(yùn)動(dòng)情況無(wú)關(guān)；②任何慣性系都是等價(jià)的。由此可認(rèn)得到一系列結(jié)果：
    1、運(yùn)動(dòng)的尺子變短。物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，在運(yùn)動(dòng)方向上物體尺寸會(huì)收縮。
    2、運(yùn)動(dòng)的鐘變慢，任何計(jì)時(shí)工具都會(huì)發(fā)生時(shí)間膨脹效應(yīng) 。這個(gè)時(shí)間變慢效應(yīng)在粒子衰變實(shí)驗(yàn)中早已被驗(yàn)證了，運(yùn)動(dòng)的粒子的壽命比靜止粒子壽命長(zhǎng)。
    3、運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量變大。速度越大，物體質(zhì)量越大。接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無(wú)限大，因而難認(rèn)進(jìn)一步加速，這又一次證明光速不可逾越。
    4、質(zhì)量與能量存在等當(dāng)性。從相對(duì)論可以導(dǎo)出一個(gè)恐怕是所有科學(xué)方程中最簡(jiǎn)潔、最富有內(nèi)涵的關(guān)系式E=MC2，E表示能量，M表示質(zhì)量，C為光速。質(zhì)能方程是原子核科學(xué)的理論基礎(chǔ)，第一顆原子彈的爆炸，體現(xiàn)了這個(gè)方程的威力。
    看到這里，有人會(huì)說(shuō)，那么牛頓力學(xué)豈不是失效了。實(shí)際上沒(méi)有這么嚴(yán)重。牛頓力學(xué)在低速低能狀況下，是相對(duì)論的一個(gè)良好近似?？茖W(xué)的發(fā)展可能就是這么一個(gè)過(guò)程：后來(lái)的理論證明過(guò)去的理論是它的一個(gè)近似或特殊的情況。
    1915年，愛(ài)因斯坦考慮了引力效應(yīng)，建立了廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦對(duì)牛頓引力作了新穎別致的奇特的理解，認(rèn)為：引力是不存在的，有的只是時(shí)空彎曲，即大塊質(zhì)量使得時(shí)間和空間幾何形狀變形。
    以后，“引力”成了時(shí)空彎曲的代名詞。這一理論由于獲得三大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證而倍受關(guān)注，愛(ài)因斯坦因而也成了本世紀(jì)最家喻戶曉的科學(xué)家。
    廣義相對(duì)論是一個(gè)引力的幾何理論。這里的幾何并不是初中生所知道的歐幾里德幾何。連三歲的嬰兒都知道，兩點(diǎn)之間直線最短，因?yàn)樗∩砼缘奶枪麜r(shí)，總是沿直線往前爬，而決不會(huì)拐個(gè)彎去取。
    可是在大尺度的宇宙，這一觀念卻是不正確的，此時(shí)兩點(diǎn)之間不一定是直線最短，最短的路線應(yīng)該是一條特殊的曲線，這門幾何是1850年左右由數(shù)學(xué)家黎曼創(chuàng)立的。在黎曼幾何中，三角形內(nèi)角和大于180度。
    廣義相對(duì)論預(yù)言：光線在太陽(yáng)旁邊要發(fā)生彎曲，這首先在1919年的一次日蝕中被證實(shí)。由于時(shí)空的彎曲意味著引力場(chǎng)，時(shí)空彎曲得越厲害，引力場(chǎng)也就越強(qiáng)，因而場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)象中子星和黑洞這樣的天體。
    前者密度大得驚人，象火柴盒一般大小的一塊物質(zhì)就重達(dá)100億噸，后者引力場(chǎng)強(qiáng)得驚人，時(shí)間已經(jīng)停止了，黑洞內(nèi)部則時(shí)空發(fā)生轉(zhuǎn)化。如今天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了許多表明黑洞存在的證據(jù)。
    引力波也是廣義相對(duì)論預(yù)言的。就如作變速運(yùn)動(dòng)的電荷要發(fā)射電磁波一樣，作變速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)也要發(fā)射引力波。引力波是時(shí)間和空間的彈性振動(dòng)。引力波由于微弱因而難以被測(cè)量到，但是由于星體長(zhǎng)期輻射引力波而帶來(lái)的累積效應(yīng)，已被發(fā)現(xiàn)。未來(lái)的通訊手段也許會(huì)用引力波來(lái)代替現(xiàn)在的無(wú)線電。現(xiàn)在的天文學(xué)探測(cè)的是星體發(fā)射的電磁波譜，因而只能確定星體中的成份及其分布，但對(duì)星體物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況的掌握無(wú)能為力，引力波是由運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)產(chǎn)生的，研究引力波就等于研究了引力波源的運(yùn)動(dòng)，從而未來(lái)將出現(xiàn)引力波天文學(xué)。
    廣義相對(duì)論因?yàn)楦拍钇嫣?，?shù)學(xué)優(yōu)美，推理簡(jiǎn)潔而被稱為是人類思維寶庫(kù)中的藝術(shù)珍品。相對(duì)論已成為宇航科學(xué)、天體物理、宇宙學(xué)的基本理論工具。相對(duì)論的所有觀點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)不可思議，可是卻經(jīng)受了幾十年來(lái)的每一次考驗(yàn)，如今每天還在經(jīng)受著考驗(yàn)。它反映了物質(zhì)世界本來(lái)的面貌和性質(zhì)，因而是真理。
    愛(ài)因斯坦正是因?yàn)樗赜械拿舾行院蛯?duì)保守概念的勇敢突破才創(chuàng)立了相對(duì)論，相對(duì)論和愛(ài)因斯坦其它的成就諸如對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)幾乎項(xiàng)起了20世紀(jì)物理的大半片天，并波及其他科學(xué)技術(shù)。

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