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相对论:时空观念的革命

(2008-06-19 11:17:07)
标签:

惯性系

参考系

相对论

同时性

牛顿

杂谈

分类: 散文·书评·短论

原载《光明日报》1997年11月21日第5版

 

近代科学最重要的哲学基础是为自然界设定了一个时空框架。时空、物质和力构成了牛顿世界的三个支柱,这其中,时空作为背景、参考系和框架,独立于物质及其运动,是盛装着无限多样物质运动的唯一容器,被称为绝对时间和绝对空间。

牛顿第一定律规定了某一类参考系为惯性参考系,在这些个特殊的参考系中,不受外力作用的物体或者静止或者保持匀速直线运动状态。牛顿定律对所有的惯性系成立,惯性系之间完全等效,称为相对性原理。这样,从三定律就原则上检测不出绝对时空,它只是一个哲学承诺。

到了19世纪后期,声学、热学、光学以及电动力学,均建立了自己的力学微分方程,用力学模型整合物理现象的力学方法取得了很大的成功。但电动力学有一个特异之处,它似乎不满足惯性系的等效原理,只对一个绝对静止参考系才能成立,这个绝对静止的参考系被当时的人们称为光以太。可是,当人们试图用实验证实地球相对于光以太有运动时,总是出现零结果,这似乎又表明,惯性系的相对性原理对光(电磁)信号依然有效。相对论就是在解决这一矛盾中诞生的。

1905年,爱因斯坦在他的“论动体的电动力学”一文中,以同时性的相对性为突破口,建立了全新的时间空间概念,从而消除了电动力学的这一特异性,维护了力学定律对于惯性系的不变性,解决了这个矛盾。

爱因斯坦要求同时性必须有一个操作定义,即应该存在一个对钟的方法,才能定义同时性。为了对钟,爱因斯坦假定光信号的速度是不变的,并将这一假定确定为光速不变原理。有了同时性的操作定义之后,人们便会得出一个新奇的结论:对于静止的观察者同时的两事件,对于运动的观察者就不是同时的。同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。

由同时性的相对性带来了时间和空间的相对性:一个有操作意义的空间长度是由我们“同时”标定两端点的坐标位置而产生的;一个有操作意义的时间长度是由一系列“对好了的钟”来标定的。然而,所有这一切在运动状态下都被相对化了。于是,相对论告诉我们,在静止的观察者看来,运动的尺子会缩短,运动的钟将变慢,这就是所谓尺缩钟慢效应。

值得注意的是,这种尺缩钟慢效应并不是热胀冷缩意义上的物理效应,而是由于时间空间框架的相对化带来的相对论效应。我们的时空框架被相对化了,它与参考系的运动状态密切相关。有什么样的惯性系就有什么样的时空框架。惯性系之间是完全等价的,因而,不同的时空框架也是完全平权的,并没有什么优越的时空框架。

1905年建立的这个理论由于只涉及惯性参考系,没有考虑到加速运动,因而被称为狭义相对论。狭义相对论改变了牛顿世界中时空框架与物质运动之间的相互独立性,但“力”(意味着加速运动)与时空框架之间仍然保持着独立性。特别是,由于牛顿的引力是即时作用,引力场本身就成了绝对时空的载体(牛顿为了证明存在绝对空间的水桶实验也基于此),与时空相对性观念相左。引力成为1916年完成的广义相对论考虑的主要问题。

按照牛顿力学,任何物体既有惯性质量,也有引力质量,牛顿第二定律中的质量是惯性质量,而万有引力定律中的质量是引力质量,但人们理所当然的认为它们是相等的,把它们统称为质量。可是,这种相等是偶然的吗?

爱因斯坦将相对性原理推广到引力场中,指出引力场就相当于一个非惯性系,人们对一个物体是正被加速,还是正处在引力场中无法作出区分,这一点被称为等效原理。惯性质量与引力质量相等成了等效原理的一个自然的推论。广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。

广义相对论解释了水星近日点的进动,预言了引力红移,特别是预言了光线在引力场中的偏转。后一预言在1919年的日全食时得到了天文验证。这一验证太过戏剧性,全世界都为之震惊。当时的皇家学会会长汤姆逊致词说:“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一,也许就是最伟大的成就,它不是发现一个孤岛,而是发现了新的科学思想的新大陆。”

时空框架与引力及物质运动在相对论高度数学(几何)化基础之上的融合,刷新了我们的世界图景,宇宙的和谐在一个新的层次上呈现出来。

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