第5章 相对论:弯曲的时空
引力定律是非常、非常严格的,
只不过是我们为了自己的利益,
一直在歪曲它们。
伊卡洛斯·拉什莫尔三世(艾克)迫不及待地要向迪特尔展示他的新保时捷,但是,虽说这新车很值得他骄傲,可更令他兴奋的是,他最近自行设计安装的全球定位系统(GPS)。
艾克想让他的朋友迪特尔佩服一下,于是,他说服迪特尔一起驾车到当地的赛车场。他们上了车,艾克将目的地输入程序,两人就出发了。可让艾克大失所望的是,他们最终停错了地方——GPS系统根本不像他预计的那么管用。迪特尔的第一反应是,艾克一定犯了什么可笑的错误,比如说把米和英尺弄混了。但艾克坚信自己不会犯这么低级的错误,他向迪特尔保证,问题肯定不在这儿。
第二天,艾克和迪特尔摆弄了几下。可令人沮丧的是,他们在兜风时发现GPS比以前更糟了。艾克和迪特尔继续找问题,终于,在困惑了一周之后,迪特尔忽然灵感闪现:他快速地计算了一下,吃惊地发现,如果不考虑广义相对论,艾克的GPS系统累积的误差会达到每天10英里。艾克没想到他的保时捷会快到需要考虑相对性计算,但迪特尔解释说,车本没有那么快,可GPS信号是以光速行驶的。迪特尔修改了软件,将GPS信号必须穿过的引力场的变化也计算在内,这次,艾克的GPS系统终于能像市面上买到的一样正常运行了。艾克和迪特尔长舒一口气,开始计划他们的下一次兜风。
20世纪初,英国物理学家开尔文(Kelvin)爵士说:“现在,物理学家再也没什么新东西可以发现了,剩下的就是使计算越来越精确。”开尔文爵士的错误从此可是出了名:就在他讲过这番话后不久,相对论和量子力学彻底改变了物理学,而且出现了当今人们研究的各个不同的物理领域。但是,开尔文爵士的另一句更为深刻的话却千真万确:“科学财富的积累是遵循复利定律的”,以它来形容这些革命性的进步尤为恰当。
本章将探讨引力科学,看它如何从牛顿定律的伟大成就演进到爱因斯坦引力论的革命性进步。牛顿的运动定律是经典的物理定律,几个世纪以来科学家们一直使用它计算机械运动,包括由引力导致的运动。牛顿定律非常伟大,它使我们对于各种运动的预言异常精确,足以精确到将人类送上月球,将卫星送入轨道,足以让欧洲的高速列车在转弯时不致脱轨,足以激发人们在发现天王星轨道异常时去寻找第八颗行星——海王星,但是可惜,它不足以让GPS系统精确无误。
我们现在应用的GPS系统,需要爱因斯坦的广义相对论才能使精确度达到1米之内,这实在令人难以置信;更让人不可思议的是,要确定火星上积雪深度的变化,我们使用来自绕火星运转的宇宙飞船的激光扫描数据,如果将广义相对论计算在内,产生的数值精确度可在10厘米之内。当然,在相对论创建初期,任何人——甚至包括爱因斯坦自己都没有料到,这样一个抽象的理论会得到如此实际的应用。
本章将探索爱因斯坦的相对论,一个在众多领域得到广泛应用的、异常精确的理论。我们将首先简要回顾牛顿的引力论,它在我们日常见到的能量和速度中还是颇为有效的;然后,我们将转到它失去作用的极限,即极高速(接近光速)和极大质量或极高能量的区域。
在这些极限区域里,牛顿引力被爱因斯坦相对论所超越。有了爱因斯坦的广义相对论,空间(以及时空)由一个静止的舞台演变成为一个能够移动和弯曲的、有着自己丰富生命的动态实体。我们将探讨这一理论,介绍它的发展起源,以及让科学家们相信它的实验验证。
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