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苹果落地是因为时空弯曲吗

2015年06月04日07:23    来源:人民网-人民日报    手机看新闻
原标题:苹果落地是因为时空弯曲吗

  爱因斯坦的广义相对论预言时空弯曲。

  人类很早就认识到地球对他们自身及周围一切物体的“吸引”作用,但若要发现任何两个物体之间都具有引力却并非易事,因为这超出了人类日常生活的感知经验。从牛顿经典理论中的万有引力,到爱因斯坦的广义相对论,人类对引力的探索不曾止步。今年是广义相对论诞生100周年,理论物理学者张天蓉做客本报文化版和微信公众号“赛先生”(ID:iscientists),为我们讲述引力之谜。

  ——编 者

  强力、弱力、电磁力和引力是宇宙中的四种基本力,其中引力最为神秘和难以驾驭

  从物理学的观点来说,与天体运动最紧密相关的概念是万有引力。

  现代物理学告诉我们,宇宙中存在四种基本力:强力、弱力、电磁力和引力。强力和弱力的作用范围很短(< 10-15厘米),因而只存在于微观世界,人类通过现代科学的帮助才认识了它们;电磁力已成为人类不可或缺的动力来源,并且是文明社会的信息通信之基础;而引力是这四种力中最早被人类所感知,但也最为神秘和难以驾驭,至今还无法将它统一于包括了其它三种力的标准模型中。

  人类很早就认识到,地球对自身以及周围一切物体的吸引作用,即重力。但若要发现任何两个物体之间都具有万有引力,就不那么容易了。因为,两个普通物体之间的引力一般来说非常微弱,我们根本不能感知它的存在。

  相比较,电磁力就大多了。比如摩擦生电:一个绝缘玻璃棒被稍微摩擦几下,就能够吸引一些轻小的物品。再比如,磁铁对铁质物质的吸引和排斥作用,都是很容易观察到的现象。然而,除了巨大质量的星体之间产生的引力能够被观测到之外,一般物体的引力很难被探测到。

  电磁场有电磁波来传递信息,常见的光也是一种电磁波,人类可以产生、接受、控制电磁波,它们已经是某种抓得住、看得见、用得上的东西。可是引力呢?引力波至今仍未被探测到,我们对引力的了解还太少。

  吸引物体下落的力,与使得月亮绕着地球转圈的力是同一种力

  据说牛顿因为苹果从树上掉下砸到他头上,而发现了万有引力。不管这个传说真实与否,想必牛顿很早就注意到了物体被地球吸引而下落的事实,从而联想到月亮为什么不会掉下来,继而思考引力问题,认识到吸引物体下落的力,与使得月亮绕着地球转圈的力应该是同一种力。再后来,牛顿于1687年提出了万有引力定律。牛顿点亮了科学的火把,之后,又有了麦克斯韦尔的电磁场理论,经典物理的大厦变得宏伟壮观。

  牛顿力学三大定律及万有引力定律为公众所熟知,因为那是中学物理的内容。然而,尽管每个人都知道爱因斯坦的名字,但要问起爱因斯坦对物理学的贡献是什么?或许,很多人都能用一个词汇来回答——相对论。然而,相对论是什么?为什么想到要创立狭义和广义两个相对论呢?这就不是人人都能说出个所以然了。

  爱因斯坦生于牛顿逝世150多年之后。有位英国诗人为牛顿写下这样的墓志铭:“上帝说,让牛顿降生吧。于是世界一片光明。”另一位英国诗人,则在后面加上了两句玩笑话:“魔鬼撒旦说,让爱因斯坦出世吧。于是,大地又重新笼罩在黑暗之中。”

  爱因斯坦用一篇光电效应的文章,引出了量子的概念。后来,在许许多多物理学家的共同努力下,量子理论得以创立。1905年,爱因斯坦又发表了6篇有影响力的论文,分别引领了三个不同物理学领域的研究方向。其中,狭义相对论彻底改变了人们的经典时空观。

  量子力学和相对论,这两个20世纪物理学的重大革命性进展,与先前牛顿、麦克斯韦尔的经典理论有所不同。经典理论统一和完善之后,带来的貌似是一片晴空;而量子力学和相对论的建立,却带给了物理学家们更多难以解释的困惑与问题。尽管大多数科学家认可这两个理论,人类也已经享受到它们在工业和技术应用中出现的非凡成果,然而对于如何诠释理论本身,至今仍争论不休。

  量子力学适合描述微观世界的现象,狭义相对论用于高速运动的系统,这些情境都是远离人们日常生活经验的。因此,这两个新理论需要人们在观念认识上有所突破和飞跃,它们导致了许多与人们的生活经验不相符合的奇怪现象,如量子力学中的“薛定谔的猫”,相对论中的“双生子佯谬”等等。从脱离人类生活直观经验的意义上讲,那位诗人说“大地又重新笼罩在黑暗之中”,不无道理。

  广义相对论是描述万有引力的又一个里程碑,是建立天体星系运动模型的基础

  1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,这是继牛顿之后,描述万有引力的第二个里程碑。这个理论,至今仍然是天体物理及宇宙学中,建立天体星系运动模型以及宇宙演化模型的基础。

  不同于牛顿理论中的引力,广义相对论将引力与四维时空的几何性质联系起来。物理学家约翰·惠勒(John Archibald Wheeler)早年曾经与爱因斯坦一起工作,他曾用这样一句话概括广义相对论:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动”。

  这句话的意思是说,时空和物质通过引力场方程联系到了一起。这种联系可以用日常生活中的一个现象来比喻:一个重重的铅球放在橡皮筋绷成的弹性网格上,使橡皮筋网下陷。然后,另外一些小球掉到网上,它们将自然地滚向铅球所在的位置。如何解释小球的这种运动?牛顿引力理论说:小球被铅球的引力所吸引。而广义相对论说,因为铅球造成了它周围空间的弯曲,小球不过是按照时空的弯曲情形运动而已。

  天体(或铅球)的质量越大,空间弯曲将会越厉害。大到一定程度,这张绷成的网被撑破,从而形成一个东西全都往下掉、再也捡不起来的“洞”,即为黑洞。

  爱因斯坦曾经说:“我想知道上帝是如何设计这个世界的。”我们不妨将“上帝”理解为“大自然”。因此,爱因斯坦提出了科学研究的一个最基本的问题:大自然的秘密是什么?大自然的脉搏如何跳动?大自然在造物时遵循哪些基本原理?爱因斯坦正是遵循这条探索大自然奥秘的道路,提出了等效原理,最后建立了引力场方程。

  近年来,随着科学技术的进步、观测方法的改进,宇宙学中的大爆炸理论、黑洞物理、宇宙膨胀,这些与广义相对论密切相关的领域都在蓬勃发展,日新月异、成果不断。它们向物理理论提出了哪些新问题?理论物理、天文学及宇宙学将走向何方?这些都不是容易回答的问题。

  (作者为德克萨斯州大学奥斯汀分校理论物理博士)

(责编:欧兴荣、熊旭)


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