大话物理--第四章 广义相对论的故事精要.doc

第四章 广义相对论的故事 　　在万有引力的作用下，地球围绕太阳沿着椭圆形的轨道周而复始地运转，此时，如若借用“上帝之手”把太阳从星空中抹去：伴侣消失了，地球该何去何从？ 　　按照牛顿模型，太阳被摘除的瞬间，它与地球之间的吸引力也就不存在了；而失去了向心拉力的地球不再受任何羁绊，它将顺从原初的运动趋势前行，像一匹脱缰的野马笔直地冲出太阳系，唯恐稍缓一步便会堕回到椭圆的桎梏当中。如此说来，引力从施力物体传递到受力物体身边似乎不必花费时间，不论相隔多远，只要携带质量的物体成对出现，它们之间顷刻就能相互吸引。我们暂且把这种超越空间跨度、依靠“神秘感应”而发生效用的行为，命名为“超距”作用。 　　力真的能够超越距离而存在吗？ 　　这个问题也曾令牛顿本人困惑不已，但受限于当时的天文观测水平，即使聪慧如牛顿也无法通过纯粹的逻辑推演来寻求答案。于是，他转而投向了宗教的怀抱，良久，牛顿果然获得了“神谕”：解决这个问题的办法就是——忽略它——毕竟上帝创造太阳就是为了让其永恒不灭照耀万物，所以，引力突然消失、地球被迫出局的诡异景象无论如何也不会变为现实，大家又何必杞人忧天呢…… 飞屋历险记 　　上一单元曾提到，十七世纪初，法国哲学家笛卡尔为了诠释星体之间的交互作用，曾孵化出一个全新的“以太”概念，尔后，莱布尼兹等大师都纷纷将其视为对抗超距引力的尚方宝剑；可时光流转，等到爱因斯坦这个“启蒙较晚”的孩子刚刚开始自学欧几里得、爱上康德\\马赫时，以太却已被迈克尔逊-莫雷实验永久地打入了冷宫。还有什么理论能替代超距作用呢？ 　　二十世纪初，狭义相对论发表的头几年，尽管世人对它的伟大尚未曾了悟，爱因斯坦自个儿已然从成功的眩晕之中兀自出离，迫不及待地奔向了宇宙更深一层秘境。要盘问超距现象，首先得将其罪魁祸首——万有引力——捉将起来；而若想从多重角度来解析万有引力，就必须得构造一批引力之源吧。正如：为了把握运动的本质，伽利略曾不厌其烦做起了木工活；要了解光，牛顿亲手打磨着三棱镜；而为了探究电磁场，法拉第在脑海中勾勒出无数条力线，一步步令其现出原形…… 　　那么，如何才能获得各式各样的力源呢？经典力学中，引力唯一的源泉便是质量，但与微观世界的库仑力比起来，它实在太微弱，地球那么巨大的物体与你近距离接触，作用力也不过区区500牛顿（注：假设你的质量为50千克）。如此说来，窃取“超级质量”无望，而修改引力常数G大概是只有设计之神才能完成的“超级任务”，所以，人工打造不同强度的力源以供检测那是相当困难。当时已知最宏大的天然力源就是太阳，可是尚不能冲出大气层的人类，如何对那团远在天边的等离子体进行探测呢？幸好，我们有爱因斯坦；幸好，爱因斯坦还未在该领域使出他的独门绝招：思想实验。 　　三百年前，伽利略就认识到：力学定律无法分辨匀速直线运动与相对静止，因为两者皆不受外力作用，在某种意义上它们是等效的。所以，想要探究匀速体系内各物体的动力学表现，只需构造一个与其相同的系统，令新系统处于静止状态，对它进行观测即可。那么，有没有某种“不变性”可以像静止状态替换匀速运动那样，神不知鬼不觉地把处于引力魔掌之下的物体偷换到相同效应的其他体系中呢？经过长达两年的追寻，灵感的浪涛终于将漫步在思维海岸的爱因斯坦卷进了一片前所未知的奇境。 注：爱因斯坦的所谓“启蒙较晚”，那是与他同时代的玻恩、普朗克、薛定谔等一干物理学家相比，这群智慧的小火苗在十来岁时普遍已掌握数门语言、通晓音律、并疯狂爱恋着自然科学。可通俗读物中常常把爱因斯坦描述成一木讷笨小孩——参照系搞错了吧——十六岁自学完微积分、熟读各大哲学流派的经典论著且小提琴达到演奏级，这在中国进少年班也是妥妥的 请闭上眼睛，跟随爱因斯坦一同去体验这趟冒险之旅吧。首先，欢迎来到魔力小屋：你睡在卧室柔软的床上，承受着地心引力带来的重力感，一切都踏实无比；随后，你不经意地朝窗外望去，这一望，差点儿没魂飞魄散——四周哪有什么大地、花园，你的房间正挥舞着翅膀向上狂冲。而你之所以能够确定自己疯狂处境，凭借的是屋外相对静止的参照物：草坪、树木、摩天高楼……一样一样飞速地被你甩到脚下、越缩越小……而此时，如果你不伸头探出窗外，根本不会对这离奇的变换有丝毫察觉。 WHY？！？！ 这得回到万能的引力公式，从宇宙常数G中寻找答案。原来，G不单是引力常数，同时还与引力场引发的加速度有着千丝万缕的联系；具体到地心引力环抱下的每块物件，G可变身为“重力加速度”g（推导过程见附录三）。 现在，带上g回到刚才的梦境当中，此刻如果脚下的地球消失（即：撤除引力源），只要你的魔力小屋能够以g为恒定加速度沿着直线一路飞升，你待在屋内就和待在地球表面感觉一模一样！也许你会问：好吧，虽然我的身体感受不到差别，但当我把泰迪熊扔向空中，总还能发现异常吧——由于失去了重力，泰迪将在屋里自由飘荡。