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第39章 等效原理与广义相对论

牛顿那个时代,惯性质量和引力质量都只统称为质量,是不加区分的。后来有人产生了怀疑,开始想彻底地了解一下惯性质量和引力质量究竟是不是精确地相等。为了证实这一点,有科学家做了非常精密的实验,结果表明,二者的而且确是精确相等的。

爱因斯坦从这个结论得到启示,认为惯性质量和引力质量一定是存在着某种十分大的关联,否则二者不可能如此精确地相等,基于对这种思想的肯定,爱因斯坦建立了他的等效原理。

并不很复杂的等效原理,可以由下面的推想而得出:

假如用一枚火箭把一个实验室发射到遥远的太空中,实验室中有一个物理学家,假设实验室不受引力的作用,那么一切东西都会处于失重的状态,为了满足惯性定律,一切东西还会保持静止的状态。

若这个实验室向上作每秒九米八加速直线运动,这时,物理学家就会恢复重量,又再站到实验室的地板上,并感觉自己仍然在地球上,因为实验室的加速度刚好与地球引力场的作用相当。

假设这个实验室是密闭的,环境与地球一样。那么,这个物理学家有可能知道自己是在加速实验室中还是在地球的引力场中么?

爱因斯坦认为,物理学家是不可能知道自己是在加速实验室中还是在引力场中的。他认为:惯性力是真实存在的,加速系中物体真的受到一个惯性力,大小为:惯性力=惯性质量×加速度。而物体在引力场中也受到一个引力,大小为:引力=引力质量×引力场强度。由于惯性质量与引力质量是相等的,只要加速系的加速度相等于引力场强度,那么惯性力就会相等于引力,这样的话,加速系的惯性力场就会等效于引力场,这就是爱因斯坦所提出的等效原理。

下面我们以力学的角度来分析一下爱因斯坦对等效原理的“推想”。

物理学家失重并“静止”在实验室中,那么,他相对于实验室来说,各方面所受到的力是平衡的。我们只能说力是平衡的而不能说是没有受到力的作用,因为没有受到力的作用的物体是不存在于这个世界之上的。实验室静止在太空中,作用于实验室的力同样是处于平衡状态,若要打破平衡,必然要有新的力对实验室进行作用。

实验室向上作每秒九米八加速度运动,这时实验室会受到一个令实验室维持向上作每秒九米八加速度的力。但实验室向上开始加速时,物理学家只是新受到一个力的作用,这个力就是空气对物理学家添加的向上的作用力。

由于分子结构的缘故,空气对力的传递是极之微弱的,因为实验室向上加速时,空气会流动。所以,实验室向上开始加速的一段时间内,物理学家得到的加速力比起实验室得到的加速力要小得多,可以说是几乎没有得到加速力的。由于原来状态的平衡没有被外力打破时,物体会仍然保持原来的状态,因此,在“实验室向上开始加速的极短一段时间内”,物理学家会仍然大致地“保持原来的状态”。也就是说,实验室开始向上作加速运动时,物理学家的位置其实是不变动的,而实验室则是向上运动的。所以实验室经过短暂的时间后,一定会触及物理学家的身体。这时物理学家会与实验室成为一个整体,由于实验室的底部对加速力的传递是可以接近百分之百的,那么这时作用于人体的力就会与作用于实验室的力一样,都是相当于每秒九米八加速度的力。亦即是这时物理学家会与实验室作为一个整体以同样的加速度向上加速。

上面的分析与爱因斯坦的“推想”是存在不同的。对于任何的事物,其实都可以以力学的角度来解释。

下面继续分析一下,如果我们设想实验室中有一束光线,那么这束光线会否有变化呢?其实如果可以假设光线不曾与这个实验室相碰撞的话,那么这束光线与它原来的走势将不会发生任何的变化。因为实验室的力将会由于空气的原因而不能传递给光线,光线与原来相比其实不会得到任何新添加的力,因此这束光线的走势与它原来相比将不会发生任何的影响和变化。无论加速实验室以什么样的加速度来加速,结果都会如此。

而如果光线不是在加速实验室中而是在引力场中,光线将会受到引力的吸引而稍微弯曲,引力越大,则弯曲的程度越大。

这是我对光线在加速实验室中和在引力场中的分析结果,大家可以对照一下下面所提到的爱因斯坦的分析结果,并比较一下两种理论的不同之处。

建立等效原理之后,爱因斯坦又从等效原理的延伸,得出了“时空弯曲”的结论。

他认为,时空会由于物质的存在而发生弯曲,万有引力实际上就是时空弯曲的表现。

要说明这个理论,可以作一些有趣的想像和推理。假设一束光,射进惯性实验室中。依据狭义相对论原理,光束会作直线运动。假如现在惯性实验室成了加速实验室。那么光束的运动相对于加速系来说就要向下弯曲,就像在加速实验室中物理学家相对于实验室来说要向下运动一样。

而根据等效原理,引力场是可以与加速实验室等价的。既然光速在加速实验室中会向下弯曲,那么这束光在引力场中,它同样会向下弯曲而不可能是直线传播。

爱因斯坦又认为,既然光线在引力场中是弯曲的,其它的物质也会是弯曲的,而物质的弯曲就会引起空间的弯曲和时空的弯曲。至于在引力场中的自由落体现象,星体的轨迹运行,其实就是物体在弯曲时空中的短程线运动,而短程线实际上是弯曲时空中两点间的最短“直”线。

广义相对论的理论框架确定后,爱因斯坦用广义相对论的思想解释了牛顿力学无法解释的水星绕太阳的近距运动问题。

只要看过科学发展史,就会知道水星绕太阳的近距运动问题,因为这个问题在科学史上太出名了。原来,水星绕太阳公转轨迹中离太阳最近的那一点位置,亦即水星的近日点,是不断进动的,自1859年发现这一现象以来,每一百年就会有43秒的进动是牛顿力学无法作出解释的,而爱因斯坦以广义相对论对此作出了解释,他先取消了引力,以空间的弯曲来解释效应的存在,认为是太阳的存在使周围的空间发生了弯曲,并通过计算得出,水星绕太阳公转的近日点每一百年确是应有43秒的剩余值。

一个理论若只能解释过往的少数现象,是很难让人彻底信服的,它还必须预言新的现象并被证实。何况爱因斯坦的广义相对论十分复杂难懂?于是爱因斯坦除了解释水星的近距运动问题之外,又根据广义相对论作出了另外两个预言:

第一个预言是光谱线的引力红移,即在强引力场中,光谱应向红端移动,亦即红移现象。在1924年,第一次在观测中发现了引力红移现象,1959年在观测太阳的光谱中、1971年在观测一颗密度很大的白矮星的光谱中,又都进一步证明了引力红移。另外,科学家庞德在哈佛大学杰斐逊实验室中一座74英尺高的塔进行了实验,测到了光具有蓝移现象。现在的科学界亦以这一实验作为预言正确的有力证据,因为按照推算,蓝光的频率较红光高,光从塔顶落向塔基,是向强引力区域运动,于是获得了能量,产生的就是蓝移,但光从太阳离开而射向地球,就是失去能量,因此产生的将会是红移。

第二个预言是光线经过巨大质量近旁时将有偏转的情形出现,例如光线经过太阳旁边时,将会向太阳产生偏转。为了证实这个预言,在英国天文学家爱丁顿的领导下,英国皇家学会分两批人,在1919年5月29日发生日全食时,在巴西北部和西非分别拍摄了太阳周围所看到的恒星照片,并把这些照片与半年后的夜晚拍摄的天空同一位置的照片进行细致的对照,认为星光在太阳附近的确发生了偏转,并认为数值与爱因斯坦预言中计算出来的数值相当接近,同时,星光的偏转不会受到坐标系的随意选择而改变,但必须是以太阳作为坐标系原点,从而确认了爱因斯坦的预言,现在的科学界都已普遍承认了这一点。

爱因斯坦的广义相对论主要是建基于否定牛顿的绝对空间和绝对时间之上,从而建立了弯曲时空的理论,下面我们先来讨论一下空间和时间的特点,这将有利于我们理解广义相对论,和有利于我们比较爱因斯坦和牛顿这两位大科学家所建立的不同理论的优点和缺点。

由于空间不可能存在任何一丝一毫“绝对性意义的空无”,因而任何的空间都必须依附于物质之上,而物质的运动和变化每一时间中都会发生变化,所以,空间在每一时间中都会发生变化而无法存在绝对,绝对空间只是作为人的假想形式而存在,并不是真实地存在。但是,由于空间是建基于物质之上,依赖于物质而存在,因而只要把物质的状态计算进去,其实已经把空间也计算了进去。所以,空间是不用出现任何转换的,根本无须把空间转换成什么弯曲空间然后再在这个弯曲空间上进行计算,这不存在什么意义,只会把一切变得更加复杂。我们只需在要计算的空间上选取某一处作为参照,再计算各处空间中的物质相对于此参照的状态和变化就行了,这样,空间的存在就早已经包含于物质的状态和变化之中,同时,我们只要计算了物质的状态和变化,也就同样地计算了空间的各种因素,不用再去进行一些没有意义的反而更加复杂的考虑和计算。其实此处所提出的选取参照的空间计算方法并不能认为是对绝对空间的认同,甚至于不能认为是对假想性的绝对空间的认同,譬如我们在太阳系内选取太阳作为参照,但太阳系不仅仅是其内部在不断变化,它的位置相对于其外部空间仍然是在不断地运动和变化,那么太阳和太阳系内的一切都会因此而与原来的位置时时刻刻都发生变化和有所不同,所以,这样的选取仍然只是一种协调性的和相对性的处理手法,并不能看成是对绝对空间的认同,甚至于不能看成是对假想性的绝对空间的认同。至于真正的假想性的绝对空间应该是什么形式的呢?其实我们可以设定为,世界之始每一力粒子的位置就作为绝对空间的一个组成部分,当力粒子出现了运动和变化,我们仍然假想其原来位置为一个不变的空间,这样,就得出了一个可以认同的假想性的绝对空间。当然,这只是作为一种假想和设定,而实际上这样的空间是不存在的。牛顿所提出的绝对空间虽然只能作为一种假想形式,但建基于此的考虑方法和计算方法方便简洁,而且方法并没有脱离事理基础,这种方法是值得遵循的,至于爱因斯坦的弯曲空间则是完全没有必要和不具备什么意义的。

由于时间也不可能作为“绝对性意义的空无”而存在,因而必须依附于物质之上,必须依附于物质的性质之上,既然并不存在绝对空间,也就不可能存在绝对时间,绝对时间同样只是作为人的假想形式而存在,同样不是真实地存在。由于时间只是作为物质的一种表现,物质的存在就代表了时间的存在,物质的性质就决定了时间的性质,因此,在计算物质的运动和变化时,只要把物质的性质计算进去,其实已经把时间也计算了进去,这个时候,时间与物质根本上就是成为一体的,我们也就可以在假想状态中把时间分开来看待并认为时间是均匀流动的,这完全不会影响我们对物质状态的正确判断,反而会简化物质状态的复杂性。当然,这只是一种与时间的真实本质有所区别的假想状态。但在这种假想时间下的物质状态,其实又已经包含了所有的因为物质的不同状态而产生的复杂的时间因素。这样,我们就可以依据这种假想的均匀流动的时间方式来理解这个世界,并因此而使复杂的世界物质状态的运动和变化变得更加直观和更容易理解。所以牛顿将时间假想为绝对均匀地流逝是可以的,并没有什么问题,这反而有利于计算物质的运动。相反,爱因斯坦的理论中相当大程度地出现了把时间超越于物质之上的情形,在他的理论中甚至出现只要超越光速就可以回到过去空间的情形,基本上已经把时间超越于空间之上和超越于物质之上。而事实上,无论物质的速度有多快,就算能远远超越光速,回到过去空间的情形都是不可能出现的,因为物质只会依据作用和规律走向下一个状态,而不可能作用和规律能够变成相反,倒回之前的状态,更不可能在某一较短的甚至于极短的时间内,就可以倒回之前要用较长时间才能发展和形成的状态。这一点比之牛顿其实偏误更大得多。

牛顿理论难以解释水星绕太阳的近距运动问题,这一点广义相对论虽然给出了解释,并进行了计算和证明,但恐怕是其中的碰巧性成份较多。要解释“水星绕太阳的近距运动”这一个天文学上有名的难题,其实只要加上一个实质性的物质粒子斥力,并据其性质加以分析就可以解决了。

我们知道,太阳的引力斥力、水星的引力斥力都是在不断变化的。当太阳引力与水星引力之和变大,并大于太阳斥力与水星斥力之和的变大,那么水星必然就会由于吸引作用的牵动而向太阳靠近,这就是水星绕太阳作近距运动的“真正原因”。事实上,不仅仅是水星有近距运动,太阳系内其它星体也会有近距运动、或者是远距运动,这个宇宙中其它星体也会有近距运动、或者是远距运动。星体的轨迹是不可能一成不变的,因为星体的引力斥力无时无刻都在改变,关键是轨迹变动明显与否的问题。

至于为什么是先在水星上发现这个现象而不是在其它星体上发现这个现象,原因其实并不复杂。我们可以轻易就推理得出:太阳的斥力物质正在不断转变为引力物质。之所以有这样一个结论是因为水星质量只有太阳质量的6023600分之一,假如不是太阳的斥力物质在不断转变为引力物质,而仅仅是水星的斥力物质在不断转变为引力物质,相比二者之间的物质相差程度,不可能转变出那么大的引力令水星向太阳作如此明显的靠近运动。随着太阳巨大的斥力物质不断转变为引力物质,而水星上物质的转变无论如何都不可能抵销太阳的大量斥力的减少,于是太阳水星二者的引力之和在增大,吸引的力量也在变大。而我们知道,星体的综合力以椭圆为等一,并与距离的平方成反比。越近太阳综合力越大,而水星是最近太阳的行星,因而受太阳不断变大的吸引作用最厉害。水星的近距运动之所以如此明显还有一个十分重要的原因:水星在太阳系中是第二小的行星,仅比月球大一些,它的质量还不及地球的百分之六。水星如此小的质量却受太阳不断变大的吸引作用最厉害,这就是水星向太阳作近距运动比其它星体明显如此多的原因。

下面我们来分析一下爱因斯坦的预言:

爱因斯坦的第一个预言是光谱线的引力红移,即在强引力场中,光谱应向红端移动,亦即红移现象。

光谱谱线的红移,其实是一种力变现象。当斥力对比引力比例变大时,光就会由于排斥作用的变大而被推长。实际上这种推长并不是粒子本身的变长,而是在吸引作用变小的情况下,更多的粒子可以连续地运动,而这种连续地运动由于粒子体积太小和速度太快,就算是科学家在精密的仪器帮助下,也难以分辨出它们是一个个的粒子,于是认为它们是一个个的波。这些波受到的排斥作用越大推长作用越大,波变长的现象就会越明显。当光不断在斥力作用的相对增大引力作用的相对减小下由于排斥作用的不断变大而被不断推长时,光谱谱线就会因为“必须相应地显示这些变化”而出现向长波方向移动的现象,即红移现象。而排斥作用变得越大变得越快,红移现象就会越明显。

相对于红移现象还有蓝移现象、紫移现象,其实蓝移现象和紫移现象的形成原因都是一样的,都是由于光的排斥作用变小而引起。当光在引力作用的相对增大斥力作用的相对减小下,由于吸引作用的不断变大而被不断拉短时,光谱谱线也必然会因为“必须相应地显示这些变化”而出现向短波方向移动的现象,于是形成蓝移现象、或紫移现象。

在验证爱因斯坦的预言时,科学家庞德在塔基测到了光具有蓝移现象。其实原因并不复杂,地球是一个引力星体,越近地面,引力粒子就会越多,在这种情况下,越近地球光线的综合排斥作用就会越小,于是同一束光线,在地球表面近处来探测时,对比起离地球表面远处来探测时,会出现蓝移现象。

如果我上面的理论正确,则爱因斯坦预言“在强引力场中,光谱应向红端移动,亦即红移现象”这一点,某些地方是须要修正的,因为斥力对比引力的变大程度才是红移现象的形成原因。

爱因斯坦的第二个预言是光线经过巨大质量近旁时将有偏转的情形出现,例如光线经过太阳旁边时,将会向太阳产生偏转。

光线经过巨大质量近旁时“的而且确是会有偏转的情形”出现,不过,光线发生偏转的可能性会有两种,其中一种是偏外,另一种是偏内,这一点爱因斯坦没有预言出来。

为什么光线的偏转会有偏外和偏内之分呢?因为星体的综合作用是分为排斥作用和吸引作用的,假如星体本身具备的是排斥作用,那么在排斥作用下,光线必然会是被推开而向外,于是就会出现光线偏转向外的情形。假如星体本身具备的是吸引作用,那么在吸引作用下,光线必然会是被吸引而向内,于是就会出现光线偏转向内的情形。

由于太阳是斥力星体,星光经过太阳近旁时,不是偏转向内,而是偏转向外。另外,越近太阳表面,光线的发出就会越密,排斥作用也就会越密和越大,因而星光在太阳近旁不但偏转向外,而且这种情形会相对较为明显。

爱因斯坦的广义相对论被誉为二十世纪最伟大的科学成就,然而这种理论只是部分地相符了自然界的现象,对自然界本身的实质并没有很好地吻合和相符。广义相对论以时空的弯曲理论来取替引力对自然界的解释,以时空的弯曲理论来取替物质对自然界的解释,和以时空的弯曲理论来构建与解释自然界的现象,虽然其间具备着丰富之极的想像力,但理论的本身不仅复杂难懂,也脱离了世界上各种事物的本质和世界的本质。所以,广义相对论虽然具备了某种程度的意义,却是不足取的。

有人把爱因斯坦的成就相比于牛顿的成就,把爱因斯坦本人相比于牛顿本人。二人的成就无疑都是十分伟大的,虽然二人的思想和理论都存在着一定的谬误之处,然而,谬误对于任何一个科学家或者任何一个学者都是难以完全地避免的。所以,对于二人的成就,我们的看法或许会发生少少的改变,但这些不足道的谬误对于划时代的伟人而言,只是些微的瑕疵而已。

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