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01 从牛顿到爱因斯坦(第5页)

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其中最著名的当属下面这个方程:

这个方程告诉我们,质量和能量是紧密地联系在一起的(当核武器面世时,这一事实变得无比明显且极具破坏力)。

关于它的推导出的其他结论还包括不稳定粒子快速运动时它们的寿命会变长,以及任何物体的移动速度都不可能超过光速。

上述最后一条结论以及时空这个新概念,让爱因斯坦发展出了他的引力理论。

紧接着,一个明显的矛盾推动了这个发现,牛顿理论又陷入了麻烦中。

这回,矛盾产生于牛顿理论和狭义相对论之间。

牛顿引力是瞬时存在于物体之间的,也就是说,如果太阳突然爆炸,根据牛顿的理论,在事情发生的那一刹那,我们立刻就能感受到引力的变化。

爱因斯坦知道这是不可能的。

首先,他发现没有任何物体的运动速度可以超过光速;其次,绝对普适的时间是不存在的,也就是说“两件事在不同地点同时发生”

这种说法根本没有意义(如果在一个观察者眼中它们同时发生,那么在另一个运动状态不同的观察者眼中它们可能不同时发生)。

所以,我们的理论中又存在一些错误需要修正。

爱因斯坦解决这个问题的手法更加精妙。

他假设引力并不是把物体拉到一起的力,而是时空弯曲的结果。

根据爱因斯坦的理论,有质量物体会相互靠近,只是因为它们在弯曲的时空中遵循最短路径运动。

质量和能量导致时空弯曲,而时空弯曲折弯了物体移动的路径。

这一想法的美妙之处是:我们不再需要把引力当成宇宙中存在的一种额外的力,有质量的物体之间的相互吸引仅仅源自时空本身(它本来就存在)。

这就是广义相对论(GeheoryofRelativity)的基本思路。

更加令人印象深刻的是,爱因斯坦解释了为何伽利略实验中的所有物体下落时加速度都一致。

我们回想一下就会发现,牛顿理论并没有真正解释这一点,它仅仅被当成了一个事实,牛顿设计的理论和这一事实相容。

爱因斯坦的理论在这方面做得更好。

现在,在爱因斯坦的理论中已经不存在一个叫做引力的外力,所有物体的运动轨迹仅仅是时空弯曲的结果。

由于所有物体都在同一个时空中运动,所以它们必须遵循相同的路径。

换种说法就是:所有的物体都必须以相同的加速度下落。

这正是伽利略观察到的现象。

这些想法可能会使人感到难以理解,所以我们来举一个例子。

想象两个物体在没有受到力的作用时的运动轨迹。

在平直空间中,它们会走直线,如图4所示。

如果空间弯曲了,那么它们将不再走直线。

考虑最简单的弯曲空间:球面。

球面上两点之间最短的线叫做大圆(greatcircle)(地球赤道就是大圆的一个例子)。

如果两个物体在同一个球面上走不同的大圆,那么它们一开始会相互远离,然后再次靠近,如图5所示。

图4 两个粒子不受外力地在平直时空中运动的轨迹可能是这样两条直线

图5 两个粒子不受外力地在球面上运动的轨迹可能是这样两个大圆。

它们不再相互平行,而是会相交

这就是爱因斯坦描绘的引力作用。

他想象物体运动轨迹相交的真正原因是时空弯曲,而不是有某个外力作用其上,使它们朝左或朝右运动。

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