天之星天文论坛(大陆著名天文论坛）

标题: 相对论简解（沈建其） [打印本页]

作者: 仰望星空 时间: 2010-2-13 13:48
标题: 相对论简解（沈建其）
在许多人眼里，往往将相对论与爱因斯坦等同起来，也许因为相对论与常识违背太深而给人带来的神秘感使得爱因斯坦本身成为一个传奇人物。
但是实际上，真正神秘的却是我们的许多常识和感觉，因为它们大多歪曲了客观物质世界的本性。
爱因斯坦于1879年生于德国乌尔姆。16岁时，爱因斯坦开始考虑这么一个问题：一个以光速运动的实验者将会看到什么？
这个问题他思考了十年，直到1905年，爱因斯坦才终于认识到时间是值得怀疑的，同时绝对性是不可能的。
与此同时，实验家们也在做关于以太漂移的实验。所有的实验表明，牛顿力学是不精确的。
一些物理学家如洛伦兹、庞加莱对经典的牛顿力学作了些修修补补的工作，以迎合实验的结果，但所有这一切都摆脱不了绝对时空观的框架。只有年轻的爱因斯坦突破了旧框架的羁绊，提出了相对论时空观。
相对论是关于时间和空间、物质和能量的理论，同时也是一门哲学。因果性人人都懂，凡事先有因，后有果，因果不会倒转，如果果的发生速度超过因，因果就会倒转，这就要求宇宙中存在着一种速度上限，该速度是不可逾越的。
现在人们明白，这个速度就是光速。爱因斯坦以思辨哲学来考察麦克斯韦的电动力学和经典力学，提出了两个基本假设：
①光速不变原理。光在任何惯性系中都是一样的，与光源的运动情况无关；②任何惯性系都是等价的。由此可认得到一系列结果：
1、运动的尺子变短。物体运动的速度越大，在运动方向上物体尺寸会收缩。
2、运动的钟变慢，任何计时工具都会发生时间膨胀效应。这个时间变慢效应在粒子衰变实验中早已被验证了，运动的粒子的寿命比静止粒子寿命长。
3、运动的物体质量变大。速度越大，物体质量越大。接近光速时，质量趋于无限大，因而难认进一步加速，这又一次证明光速不可逾越。
4、质量与能量存在等当性。从相对论可以导出一个恐怕是所有科学方程中最简洁、最富有内涵的关系式E=MC2，E表示能量，M表示质量，C为光速。质能方程是原子核科学的理论基础，第一颗原子弹的爆炸，体现了这个方程的威力。
看到这里，有人会说，那么牛顿力学岂不是失效了。实际上没有这么严重。牛顿力学在低速低能状况下，是相对论的一个良好近似。科学的发展可能就是这么一个过程：后来的理论证明过去的理论是它的一个近似或特殊的情况。
1915年，爱因斯坦考虑了引力效应，建立了广义相对论。爱因斯坦对牛顿引力作了新颖别致的奇特的理解，认为：引力是不存在的，有的只是时空弯曲，即大块质量使得时间和空间几何形状变形。
以后，“引力”成了时空弯曲的代名词。这一理论由于获得三大经典实验的验证而倍受关注，爱因斯坦因而也成了本世纪最家喻户晓的科学家。
广义相对论是一个引力的几何理论。这里的几何并不是初中生所知道的欧几里德几何。连三岁的婴儿都知道，两点之间直线最短，因为它要取身旁的糖果时，总是沿直线往前爬，而决不会拐个弯去取。
可是在大尺度的宇宙，这一观念却是不正确的，此时两点之间不一定是直线最短，最短的路线应该是一条特殊的曲线，这门几何是1850年左右由数学家黎曼创立的。在黎曼几何中，三角形内角和大于180度。
广义相对论预言：光线在太阳旁边要发生弯曲，这首先在1919年的一次日蚀中被证实。由于时空的弯曲意味着引力场，时空弯曲得越厉害，引力场也就越强，因而场强达到一定程度，就会出现象中子星和黑洞这样的天体。
前者密度大得惊人，象火柴盒一般大小的一块物质就重达100亿吨，后者引力场强得惊人，时间已经停止了，黑洞内部则时空发生转化。如今天文学家已发现了许多表明黑洞存在的证据。
引力波也是广义相对论预言的。就如作变速运动的电荷要发射电磁波一样，作变速运动的物质也要发射引力波。引力波是时间和空间的弹性振动。引力波由于微弱因而难以被测量到，但是由于星体长期辐射引力波而带来的累积效应，已被发现。未来的通讯手段也许会用引力波来代替现在的无线电。现在的天文学探测的是星体发射的电磁波谱，因而只能确定星体中的成份及其分布，但对星体物质的运动情况的掌握无能为力，引力波是由运动的物质产生的，研究引力波就等于研究了引力波源的运动，从而未来将出现引力波天文学。
广义相对论因为概念奇特，数学优美，推理简洁而被称为是人类思维宝库中的艺术珍品。相对论已成为宇航科学、天体物理、宇宙学的基本理论工具。相对论的所有观点听起来不可思议，可是却经受了几十年来的每一次考验，如今每天还在经受着考验。它反映了物质世界本来的面貌和性质，因而是真理。
爱因斯坦正是因为他特有的敏感性和对保守概念的勇敢突破才创立了相对论，相对论和爱因斯坦其它的成就诸如对量子理论的贡献几乎项起了20世纪物理的大半片天，并波及其他科学技术。

欢迎光临天之星天文论坛(大陆著名天文论坛） (http://skyandtelescope.com.cn/bbs/)