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加速度和绝对空间_奇点天文奥秘

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加速度和绝对空间_宇宙时间奥秘
 
 
狭义相对论还有另外一个较大的缺陷。它同样是与时间的作用有
 
关,出现在有加速度的情况下(加速度是物体的速度随着时间的变化)。
 
如我们已经反复说过的,由于牛顿力学中运动的相对性,绝对空间已经
 
失去意义。可是对于加速度来说,情况就不同了。加速度是由于某种力
 
例如引力所引起的,在牛顿理论中,加速度是绝对的。用另一种方式来
 
说,无论观测者的运动状态如何,加速度总是相同的。一个骑在马上的
 
物理学家,可以争辩说是马在运动,或者是脚下的大地在运动。但是当
 
他的坐骑急停,而把他从马鞍上摔下来,对这个过程他就没有异议了,
 
因为无论从哪个参考系来看,例如从马、地面或行驶中的火车中看来,
 
力和作为其结果的加速度都是一样的。但是对于本身就在加速运动的观
 
测者,他们的看法与以不变速度运动的观测者是不同的。因此存在有地
 
位特殊的参考系,即使认为地球向着物理学家加速,与认为物理学家向
 
着地球加速是同样地可行。狭义相对论也只是对作匀速相对运动的观测
 
者成立,因此也有这个问题。狭义相对论本身并没有给出任何解释,为
 
什么必须赋予这些观测者以特殊的地位。他们只是直截了当地被放进基
 
本假设里了。
 
爱因斯坦当时很清楚,引力破坏了他直觉上很吸引人的准则:物理定律应当与观测者的运动状态无关。换句话说,在狭义相对论对宇宙的描述中,把一个观测者的看法转换成另一个观测者的看法的数学操作— —洛伦兹变换——不能用到引力上面。这问题的根源在于,与狭义相对  
论所暗指的相反,加速度是相对的而不是绝对的。可以用一个例子来说明这一点,同时也说明为什么包含有加速度的理论描述了引力。设想置于发射台上的空间飞船里有一位宇航员,他有一只通常洗澡间用的磅秤。如果他站在这磅秤上,磅秤将显示出他的体重。当起飞按钮按下,飞船加速飞出地球时,这位宇航员将感到自己重了许多,磅秤也显示他的体重大大增加了。假设发射失败,飞船骤然朝着地球掉下来。在这几秒钟内,这位倒楣的宇航员将在飞船里面自由飘浮,直到飞船撞上地面。在往下落的过程中,如果他把口袋里的钥匙掏出来,然后松开手,钥匙不会落到飞船的地板上。他也将会失重:在他的参考系里,是没有引力的。但是对于一个看着飞船往下掉的观测者说来,引力是再明显不过了。这样,加速度确实是相对的。爱因斯坦也受到过自由落体的启发——不过不是随飞船一起的宇航员,而是一个从屋顶上掉下来的人,这事发生在柏林。这个人侥幸没有摔伤,事后他告诉爱因斯坦,他没有感觉到引力的作用。
 
总之,爱因斯坦对于狭义相对论的局限性是很清醒的,并且从美学的基点出发,希望物理学彻底摆脱仍在苟延的特殊参考系。他开始着手他的广义相对论,去解决这更困难的问题,即给出物理学更概括的系统描述,这种描述对所有的观测者都适用,不论他们的相对运动状态如何。难怪,只有用比狭义相对论复杂得多的时间和空间关系,才能得到这种描述。确实,广义相对论的推导需要应用陌生的数学工具——张量计算。爱因斯坦为此费了多年心血,直到 1915 年才完成他的论文准备发表。正如他在这期间所说:“每走一步都是极其困难的。”
 
当广义相对论最后完成的时候,这个理论同时给出了一个漂亮的而且相当完美的引力理论。如果我们重新再考察飞船里的宇航员,就可以知道,为什么他不能说出他经受的是引力还是加速度。当飞船在空间中加速的时候,他也不能确定,他的磅秤显示的是引力的作用还是他自己的惯性——物体反抗运动变化的一种性质。爱因斯坦认识到了这一点,这使他在 1907 年提出了一条新的基本原理——“等效原理”,他强调说,这条原理适用于整个物理学。实际上这条原理断言,引力和加速度是等效的。
 
等效原理至少有两种说法。其一,即“弱”等效原理,可以回溯到伽里略和他的比萨斜塔实验,这个实验在传奇文学中被描写得很生动。伽里略发现,所有物体都以同样的加速度朝地球下落(在忽略空气阻力的情况下)。等效原理表明,用相对论的观点,我们也可以说是地球在加速向上而物体保持静止,这样,显然所有的物体的加速度就必须保持相同了。这一直颇为神秘的难题,直到 1914 年爱因斯坦发表了他的论文,才被解释清楚。这篇论文说明,一个均匀的引力完全等效于一个适当的加速度,对在任何实验室进行的实验,结果都是如此。等效原理还说  
明,狭义相对论是一个纯粹局部的理论:没有一个实际的观测者不在经受加速度,因为我们的宇宙是被引力统治着,宇宙物质以恒星、行星等形式散布在整个宇宙里面。等效原理的第二种说法,即“强”等效原理,是爱因斯坦主张的,它认为所有的物理规律,对于宇宙中任何地方、任何时刻的所有观测者都是相同的,不管运动的情况和引力如何。对爱因斯坦来说,这个原理使他能够离开狭义相对论,而进入一个关于宇宙的理论,这一理论必须超越基于狭义相对论的局部描述。
 
 

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