物理学的进化

作者简介

阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955），犹太裔物理学家。现代物理学奠基人，狭义相对论、广义相对论的创立者。1921年诺贝尔物理学奖获得者。 他对物质结构、空间与时间等的研究彻底改变了由经典力学统治的世界观。时至今日，人们都在为验证他的理论而不懈奋斗。 利奥波德·英费尔德（1898-1968），波兰物理学家，波兰科学院院士。曾与爱因斯坦、霍夫曼合作，在广义相对论中由场方程导出了物体吸引的满意理论（爱因斯坦一英费尔德一霍夫曼理论）。 胡奂晨，普朗克研究所博士生。

内容简介

升降机内与升降机外 惯性定律标志着物理学的第一个伟大进步；事实上，这是物理系的真正开端。它是通过考虑一个理想实验得来的，即考虑一个既没有摩擦也不受任何外力作用的永远运动的物体。从这个例子及后来的许多例子中，我们认识到用思维创造理想实验的重要性。在这里，我们会再次讨论一些理想实验。虽然它们听起来不切实际，却可以帮助我们用简单的方法更好地理解相对论。 我们之前讲过一个做匀速运动的房间的理想实验。在这里，我们做些改变，讲一个下降的升降机的理想实验。 想象有一个大的升降机在一座摩天大楼的顶上，这座摩天大楼比任何真实的摩天大楼都要高。突然，支撑升降机的钢丝绳断了，升降机自由地落向地面。升降机中的观察者在下降的过程中进行实验。在描述实验时，我们无须担心空气阻力或摩擦力，因为我们在理想实验中不考虑它们的存在。一个观察者从口袋里拿出一块手帕和一块手表，然后让它们下落。这两个物体会发生什么呢？对于透过升降机窗户看的外部观察者来说，手帕和手表以完全相同的方式落向地面，它们的加速度相同。我们记得下落物体的加速度与其质量无关，正是这一事实揭示了引力质量和惯性质量是等价的（见第一章“还有一个线索”一节）。我们还记得，从经典力学的角度来看，引力质量和惯性质量的相等是非常偶然的，并且在经典力学的架构中没有发挥作用。然而，在这里，所有下落物体的加速度相等则反映出，这种平等是必不可少的，并且构成了我们整个论证的基础。 让我们回到下落的手帕和手表上；对于外部观察者来说，它们都以相同的加速度下降。但升降机及它的外壁、天花板和地板也是如此。因此，两个物体和地板之间的距离不会发生改变。对于内部观察者来说，两个物体保持在被释放的位置不变。内部观察者可能会忽略引力场，因为引力场源位于他的坐标系之外。他发现升降机内没有任何力作用于两个物体，因此它们处于静止状态，就好像它们处于惯性系一样。升降机中发生了奇怪的事情！如果观察者向任何方向推动物体，如向上或向下，只要它不与升降机的天花板或地板碰撞，它总是匀速移动。简而言之，经典力学的定律对于升降机内的观察者是有效的。所有物体与惯性定律的预期相符。这个与自由下降的升降机刚性连接的新坐标系与惯性系只有一个方面不同。在惯性系中，一个没有外力作用的移动物体将会永远做匀速运动。经典物理学中的惯性系既不限于空间也不限于时间。而对于升降机中的观察者来说却是不同的。他的坐标系的惯性性质在空间和时间上是受到限制的。这个匀速移动的物体迟早会碰到升降机的壁，匀速运动将会被打破。整个升降机迟早会与地球相撞，观察者和他们的实验将会被毁灭。这个坐标系只是真实惯性系的“袖珍版”而已。 坐标系的这种局部性是非常重要的。如果这个假想的升降机是从北极到赤道，而手帕放在北极，手表放在赤道，那么对于外部观察者来说，这两个物体不会有相同的加速度；它们不会相互静止。我们的整个论点便都失败了！我们必须限制升降机的尺寸，从而所有物体的加速度相对于外部观察者都相等。 有了这种限制，坐标系对于内部观察者呈现惯性性质。我们至少可以指出一个所有物理定律都有效的坐标系，虽然它在时间和空间上受到限制。如果我们想象另一个坐标系——另一个相对自由下落的升降机匀速运动的升降机，那么这两个坐标系都是局部惯性的。所有的定律在两个坐标系里都完全相同。从一个坐标系到另一个坐标系的变换由洛伦兹变换给出。 让我们看看外部观察者和内部观察者是用何种方式来描述升降机中所发生的事情。 外部观察者注意到升降机和升降机中所有物体的运动，并发现它们与牛顿的万有引力定律一致。对他而言，运动不是匀速的，而是加速的，因为受到地球引力场的作用。 然而，在升降机中出生和长大的一代物理学家会有非常不一样的判断。他们相信自己拥有一个惯性系，并将所有自然定律都关联到他们的升降机上，声称在他们的坐标系中，所有定律都采用一种特别简单的形式。他们很自然地认为他们的升降机是静止的，而他们的坐标系是惯性的。 解决外部观察者和内部观察者之间的分歧是不可能的。他们中的每一个都有权将所有事件关联到自己的坐标系上。二者都可以把这些事件描述得完全一致。 从这个例子中可以看到，两个不同坐标系中的物理现象的描述是可能一致的，即使它们相对彼此不是匀速的。但是对于这样的描述，我们必须考虑引力，可以说，建立从一个坐标系过渡到另一个坐标系的“桥梁”。外部观察者认为存在引力场，内部观察者则认为不存在。外部观察者认为升降机在引力场中加速运动，而内部观察者则认为升降机是静止的，且引力场是不存在的。但是“桥梁”，即引力场，使得两个坐标系中的描述成为可能，这取决于一个非常重要的支柱：引力质量和惯性质量相等。如果没有这个在经典力学中没有被注意到的线索，我们目前的论证将完全失败。 现在我们来进行一个稍有不同的理想实验。假设有一个惯性系，惯性定律在其中是有效的。我们已经描述过静止在这样一个惯性系中的升降机中发生的事。不过我们现在把图改变一下。外面的人把一条绳子系在升降机上，并以恒定的力沿着图3-22中所示的方向拉动。如何做到这一点并不重要。由于力学定律在这个坐标系中是有效的，所以整个升降机在运动方向上以恒定的加速度运动。我们再来听一听外部观察者和内部观察者如何解释升降机中发生的现象。 外部观察者：我的坐标系是一个惯性系。升降机以恒定的加速度运动，因为受到一个恒定力的作用。内部的观察者处于绝对运动，力学定律对于他们是无效的。他们看不出不受外力作用的物体是静止的。如果释放一个物体，那么它会很快与升降机的地板相撞，因为地板朝向物体向上运动。对于手表和手帕，情况是完全相同的。让我觉得很奇怪的是，升降机内的观察者必须始终站在“地板”上，因为一旦他跳起来，地板就会再次到达他。 内部观察者：我认为没有理由相信我的升降机是绝对运动的。我同意，与升降机刚性相接的坐标系并不是真正的惯性系，但我不相信它与绝对运动有任何关系。我的手表、手帕及所有的物体在下落，因为整个升降机处于引力场之中。我所观察到的运动与人们在地球所看到的是同一类的。人们很简单地用引力场的作用来解释。我也是如此。 由外部观察者和内部观察者给出的这两种描述都可以解释现象，因此我们无法决定哪个是正确的。我们可以采用任何一个来描述升降机中的现象：外部观察者所说的，升降机做非匀速运动且没有引力场；或着内部观察者所说的，升降机静止且存在重力场。 外部观察者也许会假设升降机在做“绝对的”非匀速运动。但是，一个被有引力场作用的假设而毁灭的运动不能被看作绝对运动。 也许我们可以从这两种不同描述中的含糊之处找到出路，决定支持哪一种说法。想象有一束光通过侧边的窗户水平地射入升降机中，并在很短的时间后到达对面的墙壁。我们再来看看两位观察员如何预测光的路径。 外部观察者相信电梯加速运动，他认为：光线进入窗户后沿着直线以恒定的速度水平射到对面的墙壁上。但是升降机向上移动，并且在光线朝着墙壁行进的时间里，升降机改变了位置。因此，光线到达的点不会与射入点完全相对，而是略低一些。这个差异非常小，但它仍然是存在的，并且相对于升降机而言，光线不是沿着直线，而是沿着略微弯曲的曲线行进的。这个差异的产生是由于，在光线穿过升降机内部时，升降机移动了一段距离。 内部观察者相信引力场作用于升降机中的所有物体上，他说：升降机没有加速运动，只有引力场的作用。光束是没有重量的，因此不会受到引力场的影响。如果它是沿水平方向发射的，它就会到达墙上与射入点完全相对的点上。 从这次讨论看来，似乎有可能从这两种相反的观点之间做出选择，因为这两个观察者对于同一个现象的看法是不同的。如果刚才所说的解释没有一种是不合逻辑的，那么我们之前的整个论证就都被破坏了，我们无法用两种方法来描述所有现象，一种有引力场，一种没有引力场。 不过幸运的是，内部观察者的推理存在严重缺陷，这可以挽救我们之前的观点。他说：“光束是没有重量的，因此不会受到引力场的影响。”这不可能是正确的！一束光携带能量，而能量是有质量的。但是每个惯性质量都受到引力场的吸引，因为惯性质量和引力质量是等价的。一束光将在引力场中弯曲，就像以光速水平抛出的物体的路线会弯曲一样。如果内部观察者做了正确推理，并考虑了引力场中光线的弯曲，那么他的结果将与外部观察者的结果完全相同。 当然，地球的引力场太弱，我们不能通过实验直接证明光线在其中的弯曲。但是，在日食期间所进行的著名实验，间接地证明了引力场对光线路径的影响。 从这些例子可以看出，要建立相对论物理学是很有希望的。为此，我们必须首先解决引力问题。 我们从升降机的例子中看到了两种描述的一致性。既可以假设非匀速运动，也可以不假设。我们可以通过引力场从这个例子中消除掉“绝对”运动。但是，在非匀速运动中没有绝对的东西。引力场能够完全消除它。 我们可以把“绝对运动”和“惯性系”这两个幽灵从物理学中驱逐出去，建立一种新的相对论物理学。我们的理想实验展示了广义相对论问题是如何与引力问题紧密相关的，以及为什么引力质量和惯性质量的相等对于这种联系是如此重要。很显然，广义相对论中引力问题的解与牛顿的解必然是不同的。 爱因斯坦亲自撰写的科普经典！ 不用任何数学公式，也能让你轻松读懂数百年物理学史！ 如大侦探收集线索般串联物理知识，让你拿起就放不下来！ 理清物理学的进化轨迹，有这一本就够了！