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标  题: 相对论的创立(2)(转载)                  oldsailor 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月17日13:30:08 星期四), 站内信件

发信人: oldsailor (老水手), 信区: Science
标  题: 相对论的创立(2)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年03月31日12:12:19 星期六), 站内信件


    运动的时钟变慢、物体收缩
    时钟的读数给了我们时间的概念，物体的大小给了我们空间的概念。在牛顿力学
中，无论时钟、物体是运动还是静止，其指针的速率、物体的大小都不会发生任何变
化，这是和牛顿力学中的绝对时空观密切相关的。
    按照我们日常的生活经验，这样的结论好像是正确的。然而，科学研究不只是从
人们的日常经验出发的。科学研究不但要研究人们日常的经验，还要研究人们日常经
验中觉察不出来的细微变化。
    狭义相对论认为：运动的时钟会变慢，物体会收缩。
    时钟运动起来以后，时钟指针的速率就要变慢，这已被许多实验所证实。1971年，
美国人把原子钟放到喷气式飞机上，当飞机绕地球飞行一周回到地面后，飞机上的原
子钟与地面上的原子钟的读数出现了微小的差别，这个微小的差别主要是由相对论中
的时钟变慢引起的。
    喷气式飞机的速度毕竟不是很快，跟光速相比则差距更大。试想，如若飞机的速
度接近光速，那么时钟读数的差别将绝不会是微小的。
    高能量基本粒子的运动速度很高，非常接近光速。我们把测量到的静止介子的衰
变寿命，同实验测量到的高速运动介子的衰变寿命比较，就会发现运动介子的寿命确
实比静止介子的寿命长了很多。
    按照狭义相对论理论，乘坐宇宙飞船的人寿命会变长。显然，时间变慢效应给人
类远距离宇宙航行和延长寿命带来了希望。因此，未来世界的人类就有可能到遥远的
星体去旅行，就有可能延长寿命，如若真是这样，那将是一个多么令人鼓舞的事情啊!
    物体运动起来以后，运动的物体沿运动方向收缩，长度变短。例如：一列以速度
ｖ匀速前进的火车，从站台一端到达另一端时，按车站钟表计需要时间 ｔ1，站台长
为ｖｔ1；但是，按火车上乘客的手表计只需要时间ｔ2，站台长为 ｖｔ2。由于运动
的时钟变慢，即ｔ2小于ｔ1，故ｖｔ2小于ｖｔ1。所以，乘客完全有理由得出这样的
结论：站台缩短了。实际上在车站上的人看来站台却并没有缩短，但他们也同样有理
由说，火车缩短了。
    这种现象绝不是一种光幻视，因为用任何测长仪器测量都会得出同样的结论。
    我们在平时看不到这种收缩现象。只不过是由于在低速缓慢的运动中，这种现象
不明显而已。事实上，即使物体运动的速度达到每秒 3万公里，长度的收缩也不过是
千分之五。
    由此可见，时间、空间和运动的确是紧密联系的，时间和空间的这种性质就叫做
时空的相对性。
    揭开“引力之谜”
    繁星闪烁，皎月当空，是什么力量使她们在夜空中依依不舍、而不远走高飞呢？
是引力!
    那么引力又是何物?这显然是一个谜。
    关于引力之谜的认真探索，最早可能要追溯到哥白尼。然而，牛顿万有引力定律
的提出则给引力之谜以较好的揭示。海王星、冥王星等行星的发现就是万有引力定律
获得成功的最有力的证据之一。
    牛顿对引力之谜的解释也并不完满。19世纪末，人们发现按照牛顿定律解释离太
阳最近的一颗行星——水星的运动时，牛顿定律行不通。尽管许多天文学家、物理学
家为此作了进一步的努力，但也难以获得满意的答案。显然，这需要给引力以新的解
释。
    1916年爱因斯坦提出了广义相对论后，圆满地解决了这个问题。广义相对论认为，
时间和空间的几何性质由于物质的存在会发生改变，即会发生弯曲。这种改变影响着
其他物质的运动，它是物质之间万有引力的来源。物质之间的引力大小，可以由时间
和空间的弯曲程度来描述。这就为引力之谜给出了全新的解释。
    关于水星运动轨道近日点的进动问题，广义相对论认为，由于太阳的存在，使得
太阳周围的时间和空间发生了弯曲，而水星又是离太阳最近的一个行星，受时空的这
种变化影响最大，这样就造成了水星运动轨道的近日点发生进动，使得水星运动轨道
成为一个不完全的椭圆。这和观测结果一致。
    那么，其他行星的运动为什么又可以用牛顿定律描述呢？原因很简单，主要是因
为它们离太阳太远，那里的时间和空间的性质基本没有什么改变。
    广义相对论预言：光速在通过引力场时其轨迹也会出现弯曲的现象。例如，星光
经过太阳附近时，由于太阳周围的时空发生了弯曲，光线在弯曲时空中将不再沿着直
线传播，而会发生偏折。
    事情果真如此吗？巧的是，就在广义相对论提出后不久，出现了一次日全食。英
国的爱丁顿拍摄了日全食发生时星空的照片，并将其同夜间星空的照片相比较，果然
发现了星光的偏折。
    广义相对论预言：在引力场中，光会发生“引力红移”现象。
    广义相对论还预言：自然界中存在着“引力波”和“黑洞”。
    预言得到了实验论证，广义相对论获得成功。
    可以这么说，目前人类发现的一切有关引力的现象，都可以从广义相对论得到解
释。可见，广义相对论确实为人类揭开了“引力之谜”。
    是真理就要闪光
    爱因斯坦创立的相对论已成为近代物理学的重要支柱。然而，一个新的理论要想
很快得到普遍承认是十分困难的。事实上，相对论自建立之日起，即遭到许多人的反
对，以魏兰德为首的一伙人就是其中最突出的。
    他们成立了所谓“德国自然哲学研究小组”，用以反对相对论的观念；
    他们在柏林街头张贴海报，预告德国各大城市将举行20次声讨相对论的报告会；
    他们攻击爱因斯坦本人，说：“凡有幸和爱因斯坦接近的人都知道，在尊重他人
的文化价值上，在为人的谦逊上，在对于一切哗众取宠的厌恶上，从来没有人能超过
他”。
    当然，也有一些物理学家对这些会议进行了反驳，但许多人在探讨相对论的热潮
中又把相对论神秘化了，认为只有少数人才能懂得相对论，这就影响了这个理论的传
播和发展。
    然则，不管反对派如何反对，也不管当时理解不理解，是种子就要发芽，是真理
就要闪光。
    随着时间的推移，许多实验事实都证实了相对论的重大意义和作用。今天，相对
论正广泛应用于天体物理学、宇宙学等领域，而且继续不断地被实验所证实。
    相对论所讲的空间、时间、运动等，本来都是一些最基本的东西，这些东西其实
也并不难以理解。可为什么却有人认为这是不可理解的、甚至还极力反对呢？原因并
不复杂，就在于人们头脑中已经形成了牢固的传统观念。
    我们知道，人们在日常生活中见到的多是宏观低速运动的现象，所进行的实验也
多是在地面较小的范围内进行的。而牛顿的力学理论正是适用于低速运动的情况；欧
氏几何正是适合于平面、直线的空间范围。因此，人们很容易接受牛顿力学和欧氏几
何，并且觉得牛顿力学中的绝对时间、绝对空间和欧氏几何同实践经验是那样的吻合
一致，以致人们完全忽视了牛顿力学和欧氏几何的适用范围，错误地认为它们适用于
一切，是始终不变的真理。显然，人们在这个基础上建立起来的对于时间、空间、运
动、宇宙形成的看法将是根深蒂固的。可是，相对论的适用范围要宽广得多，它所要
解决的问题也是过去的经典理论所不及的。在狭义相对论中，要研究高速运动，在这
种情况下，牛顿力学显然不适应，应改用相对论动力学；在广义相对论中，要研究弯
曲的空间，在这种情况下，欧氏几何是不适应的，应改用黎曼几何。这样，人们头脑
中原来有的看法就不适应了，“绝对不会错”的东西反而错了，早和晚、左和右、上
和下、快和慢、长和短等都是相对的了。加之人们头脑中的传统观念又很难转变，因
此，出现怀疑、甚至反对也就不足为奇了。
    
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