相對論簡解（沈建其）

物理網(wǎng)文 2015-01-03

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在許多人眼里，往往將相對論與愛因斯坦等同起來，也許因為相對論與常識違背太深而給人帶來的神秘感使得愛因斯坦本身成為一個傳奇人物。
    但是實際上，真正神秘的卻是我們的許多常識和感覺，因為它們大多歪曲了客觀物質(zhì)世界的本性。
    愛因斯坦于1879年生于德國烏爾姆。16歲時，愛因斯坦開始考慮這么一個問題：一個以光速運動的實驗者將會看到什么？
    這個問題他思考了十年，直到1905年，愛因斯坦才終于認識到時間是值得懷疑的，同時絕對性是不可能的。
    與此同時，實驗家們也在做關(guān)于以太漂移的實驗。所有的實驗表明，牛頓力學是不精確的。
    一些物理學家如洛倫茲、龐加萊對經(jīng)典的牛頓力學作了些修修補補的工作，以迎合實驗的結(jié)果，但所有這一切都擺脫不了絕對時空觀的框架。只有年輕的愛因斯坦突破了舊框架的羈絆，提出了相對論時空觀。
    相對論是關(guān)于時間和空間、物質(zhì)和能量的理論，同時也是一門哲學。因果性人人都懂，凡事先有因，后有果，因果不會倒轉(zhuǎn)，如果果的發(fā)生速度超過因，因果就會倒轉(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，這個速度就是光速。愛因斯坦以思辨哲學來考察麥克斯韋的電動力學和經(jīng)典力學，提出了兩個基本假設：
    ①光速不變原理。光在任何慣性系中都是一樣的，與光源的運動情況無關(guān)；②任何慣性系都是等價的。由此可認得到一系列結(jié)果：
    1、運動的尺子變短。物體運動的速度越大，在運動方向上物體尺寸會收縮。
    2、運動的鐘變慢，任何計時工具都會發(fā)生時間膨脹效應。這個時間變慢效應在粒子衰變實驗中早已被驗證了，運動的粒子的壽命比靜止粒子壽命長。
    3、運動的物體質(zhì)量變大。速度越大，物體質(zhì)量越大。接近光速時，質(zhì)量趨于無限大，因而難認進一步加速，這又一次證明光速不可逾越。
    4、質(zhì)量與能量存在等當性。從相對論可以導出一個恐怕是所有科學方程中最簡潔、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的理論基礎，第一顆原子彈的爆炸，體現(xiàn)了這個方程的威力。
    看到這里，有人會說，那么牛頓力學豈不是失效了。實際上沒有這么嚴重。牛頓力學在低速低能狀況下，是相對論的一個良好近似。科學的發(fā)展可能就是這么一個過程：后來的理論證明過去的理論是它的一個近似或特殊的情況。
    1915年，愛因斯坦考慮了引力效應，建立了廣義相對論。愛因斯坦對牛頓引力作了新穎別致的奇特的理解，認為：引力是不存在的，有的只是時空彎曲，即大塊質(zhì)量使得時間和空間幾何形狀變形。
    以后，“引力”成了時空彎曲的代名詞。這一理論由于獲得三大經(jīng)典實驗的驗證而倍受關(guān)注，愛因斯坦因而也成了本世紀最家喻戶曉的科學家。
    廣義相對論是一個引力的幾何理論。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，兩點之間直線最短，因為它要取身旁的糖果時，總是沿直線往前爬，而決不會拐個彎去取。
    可是在大尺度的宇宙，這一觀念卻是不正確的，此時兩點之間不一定是直線最短，最短的路線應該是一條特殊的曲線，這門幾何是1850年左右由數(shù)學家黎曼創(chuàng)立的。在黎曼幾何中，三角形內(nèi)角和大于180度。
    廣義相對論預言：光線在太陽旁邊要發(fā)生彎曲，這首先在1919年的一次日蝕中被證實。由于時空的彎曲意味著引力場，時空彎曲得越厲害，引力場也就越強，因而場強達到一定程度，就會出現(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100億噸，后者引力場強得驚人，時間已經(jīng)停止了，黑洞內(nèi)部則時空發(fā)生轉(zhuǎn)化。如今天文學家已發(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論預言的。就如作變速運動的電荷要發(fā)射電磁波一樣，作變速運動的物質(zhì)也要發(fā)射引力波。引力波是時間和空間的彈性振動。引力波由于微弱因而難以被測量到，但是由于星體長期輻射引力波而帶來的累積效應，已被發(fā)現(xiàn)。未來的通訊手段也許會用引力波來代替現(xiàn)在的無線電?，F(xiàn)在的天文學探測的是星體發(fā)射的電磁波譜，因而只能確定星體中的成份及其分布，但對星體物質(zhì)的運動情況的掌握無能為力，引力波是由運動的物質(zhì)產(chǎn)生的，研究引力波就等于研究了引力波源的運動，從而未來將出現(xiàn)引力波天文學。
    廣義相對論因為概念奇特，數(shù)學優(yōu)美，推理簡潔而被稱為是人類思維寶庫中的藝術(shù)珍品。相對論已成為宇航科學、天體物理、宇宙學的基本理論工具。相對論的所有觀點聽起來不可思議，可是卻經(jīng)受了幾十年來的每一次考驗，如今每天還在經(jīng)受著考驗。它反映了物質(zhì)世界本來的面貌和性質(zhì)，因而是真理。
    愛因斯坦正是因為他特有的敏感性和對保守概念的勇敢突破才創(chuàng)立了相對論，相對論和愛因斯坦其它的成就諸如對量子理論的貢獻幾乎項起了20世紀物理的大半片天，并波及其他科學技術(shù)。