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物理學(xué)有點(diǎn)看破紅塵的意思。以前人們眼中非常不一樣的兩個(gè)東西，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)是一回事，這是物理學(xué)統(tǒng)一世界的一個(gè)主旋律。 一些精彩的觀(guān)點(diǎn)： 1. 牛頓以后的物理學(xué)之所以不叫哲學(xué)了，就是因?yàn)槲锢韺W(xué)不是坐在家里就能想出來(lái)的學(xué)問(wèn)，物理學(xué)家靠的是數(shù)學(xué)、實(shí)驗(yàn)和觀(guān)測(cè)。 2. 前面我們說(shuō)了幾個(gè)相對(duì)論的著名結(jié)論，包括時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮、“同時(shí)”是相對(duì)的。這些結(jié)論看似離奇，但是都是數(shù)學(xué)的操作，都可以從相對(duì)性原理和光速不變推導(dǎo)出來(lái)。 3. 愛(ài)因斯坦的了不起之處不在于這些機(jī)械化的推導(dǎo)，而在于他提出了相對(duì)性原理和光速不變這兩個(gè)假設(shè)。這是最高級(jí)的科學(xué)研究動(dòng)作。提出假設(shè)需要洞見(jiàn)和勇氣，往往帶有一點(diǎn)個(gè)人風(fēng)格。英雄從來(lái)都不是按照劇本走的人，英雄得任性。 4. 只要你接受時(shí)空尺寸是相對(duì)的，你就能接受狹義相對(duì)論。只要你接受時(shí)空可以彎曲，你就能接受廣義相對(duì)論。 5. 為什么引力質(zhì)量正好等于慣性質(zhì)量，為什么一輕一重兩個(gè)鐵球同時(shí)著地？因?yàn)橹灰愕馁|(zhì)量沒(méi)有大到能跟地球相提并論、足以顯著影響周?chē)鷷r(shí)空的形狀，你看到的測(cè)地線(xiàn)就只跟你的初始速度有關(guān)，跟你的質(zhì)量沒(méi)關(guān)系！ 6. 怎么理解四維時(shí)空的彎曲呢？我們這里只能用彎曲的二維平面做一個(gè)類(lèi)比，但是請(qǐng)記住，彎曲的不僅僅是空間，也包括時(shí)間。 天上和地面是一回事，勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止是一回事 古人認(rèn)為大地靜止不動(dòng)，日月星辰都繞著地球做完美的圓周運(yùn)動(dòng)。天和地，截然不同?？墒呛髞?lái)天文學(xué)家精細(xì)的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)不對(duì)，天體運(yùn)行的軌跡并沒(méi)有那么完美，很復(fù)雜。 哥白尼等于是說(shuō)地球和天上的那些天體沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，天和地是一回事兒！哥白尼就提出來(lái)如果你把太陽(yáng)當(dāng)做是靜止不動(dòng)，想象地球和其他行星都在繞著太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)的話(huà)，你就容易解釋以前解釋不了的一些軌道。地球，不是宇宙的中心。哥白尼那時(shí)候人們還以為行星都是做圓周運(yùn)動(dòng)，而且是有一些小精靈在推著行星運(yùn)。 等到天文學(xué)家開(kāi)普勒的時(shí)候，他就提出行星繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的軌道并不是完美的圓形，而是一個(gè)橢圓。開(kāi)普勒甚至已經(jīng)提出行星不需要什么精靈推著走，只要太陽(yáng)給行星一個(gè)吸引力就行。開(kāi)普勒，把行星給看破了。 等到牛頓一出手，就把引力也給看破了。牛頓說(shuō)不但太陽(yáng)和地球之間有引力，地球上的所有有重量的東西之間也都有引力。引力普遍存在，天上和地上真的是一回事兒。 第二定律說(shuō)，力，會(huì)改變物體的運(yùn)動(dòng)方式。注意這里面有個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)，力不是運(yùn)動(dòng)的原因—— 沒(méi)有力，物體本來(lái)也在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。力，是改變運(yùn)動(dòng)的原因。如果是一個(gè)理想的光滑平面，上面的一個(gè)滾動(dòng)的乒乓球會(huì)一直前進(jìn) —— 生活中的乒乓球之所以會(huì)停下來(lái)，那是因?yàn)槠矫娼o它提供了摩擦力。一直動(dòng)不停，無(wú)需解釋?zhuān)粍?dòng)著動(dòng)著停下了，才需要有個(gè)原因。 什么是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負(fù)電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個(gè)吸引力，而兩個(gè)電子或者兩個(gè)離子之間就有一個(gè)排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。那什么是磁呢？磁來(lái)源于電，是電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁。兩個(gè)電荷之間發(fā)生吸引，請(qǐng)問(wèn)這個(gè)吸引力是怎么感覺(jué)到的呢？難道一個(gè)電荷*隔空*就能感到另一個(gè)電荷的存在嗎？這里邊可沒(méi)有什么“超距作用”。每個(gè)電荷都會(huì)在自己的周?chē)纬梢粋€(gè)“電場(chǎng)”，另一個(gè)電荷不是跟這個(gè)電荷直接發(fā)生相互作用，而是跟這個(gè)電荷的電場(chǎng)發(fā)生相互作用。 1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個(gè)方程，來(lái)描寫(xiě)*所有的*電磁現(xiàn)象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫(xiě)出來(lái)非常漂亮 —— 前三個(gè)方程分別說(shuō)的是（1）電荷產(chǎn)生電場(chǎng)；（2）沒(méi)有磁荷；（3）變化的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。第（4）個(gè)方程右邊的第一項(xiàng)說(shuō)的是電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，所有這些都是當(dāng)時(shí)已知的物理知識(shí)。 現(xiàn)在麥克斯韋知道 —— 變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng) ，變化的電場(chǎng)又能產(chǎn)生磁場(chǎng)。那首先你就能看出來(lái)，電和磁其實(shí)在某種程度上是“一回事”，電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以互相產(chǎn)生，就算沒(méi)有電荷，用磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線(xiàn)圈弄一個(gè)震蕩的電流，產(chǎn)生一個(gè)周期變化的磁場(chǎng)，那么這個(gè)周期變化磁場(chǎng)就能產(chǎn)生一個(gè)周期變化的電場(chǎng)，而這個(gè)周期變化的電場(chǎng)又能產(chǎn)生新的周期變化的磁場(chǎng)……以此類(lèi)推，豈不是說(shuō)這個(gè)電磁場(chǎng)可以一直傳播下去嗎？這就是電磁波！ 麥克斯韋可以用他的方程組直接計(jì)算這個(gè)電磁波的傳播速度。他算出來(lái)電磁波速度，發(fā)現(xiàn)跟光速，它們的數(shù)值是一樣的！而現(xiàn)在麥克斯韋計(jì)算得出的電磁波的速度正好是光速，于是麥克斯韋大膽宣稱(chēng)，光，其實(shí)就是電磁波。后來(lái)人們證實(shí)果然是這樣，我們平時(shí)所見(jiàn)的可見(jiàn)光無(wú)非就是特定頻率的電磁波而已。 這是物理學(xué)家再一次看破了紅塵。天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止是一回事，電和磁是一回事兒，而現(xiàn)在麥克斯韋說(shuō)，光跟電磁場(chǎng)，其實(shí)也是一回事兒。 “相對(duì)性原理” 它是伽利略相對(duì)論的推廣。伽利略說(shuō)力學(xué)*在一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止的坐標(biāo)系中是一樣的，而愛(ài)因斯坦現(xiàn)在說(shuō)不用非得是力學(xué)，一切物理定律 —— 包括電動(dòng)力學(xué) —— 都是一樣的。 愛(ài)因斯坦奇跡年-1905 納西姆·塔勒布在《隨機(jī)生存的智慧》這本書(shū)里有句話(huà)說(shuō)，100個(gè)人里面，50%的財(cái)富，90%的想象力，和100%的智力勇氣，都是集中在某一個(gè)人身上 —— 盡管不一定是同一個(gè)人。這個(gè)世界就是這么喜歡不均勻的分布。1905年這一年，全世界的智力勇氣，大約都集中在愛(ài)因斯坦身上。 伯爾尼瑞士專(zhuān)利局的助理鑒定員阿爾伯特·愛(ài)因斯坦，利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)展科學(xué)研究，于1905年發(fā)表了六篇物理學(xué)論文。其中四篇，用物理學(xué)家楊振寧的話(huà)說(shuō)，引發(fā)了人類(lèi)關(guān)于物理世界的基本概念 —— 時(shí)間、空間、能量、光和物質(zhì) —— 的三大革命。 1905年6月9日，愛(ài)因斯坦發(fā)表《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個(gè)啟發(fā)性觀(guān)點(diǎn)》。當(dāng)時(shí)物理學(xué)家認(rèn)為光是一種連續(xù)的波動(dòng)，而愛(ài)因斯坦在這篇論文里針對(duì)“光電效應(yīng)”這個(gè)現(xiàn)象，提出一個(gè)解釋?zhuān)f(shuō)光的能量不是連續(xù)變化的，而是一份兒一份兒的 —— 是“量子”化的。這篇論文開(kāi)啟了量子力學(xué)。 同年7月18日，愛(ài)因斯坦發(fā)表《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》，解釋了布朗運(yùn)動(dòng)。人們一直都在猜測(cè)世間的物質(zhì)都是由分子和原子組成的，但是因?yàn)榉肿釉拥某叨忍?，顯微鏡根本看不到，一直沒(méi)有直接的證據(jù)。而在將近80年前，英國(guó)植物學(xué)家羅伯特·布朗用顯微鏡觀(guān)察到水面上的花粉顆粒一直在做永不停息的不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦這篇論文說(shuō)，花粉之所以會(huì)動(dòng)，那是水分子的熱運(yùn)動(dòng)在不停地推它的結(jié)果—— 而且他能據(jù)此準(zhǔn)確計(jì)算水分子的性質(zhì)。這篇論文是人類(lèi)第一次實(shí)錘證明了分子和原子的存在。 9月26日，愛(ài)因斯坦發(fā)表《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文就是狹義相對(duì)論。 11月21日，愛(ài)因斯坦發(fā)表《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，這篇論文用狹義相對(duì)論推導(dǎo)出現(xiàn)在盡人皆知的公式 —— E = mc^2，并據(jù)此說(shuō)明質(zhì)量和能量其實(shí)是一回事兒。 這些論文實(shí)在太革命，它們剛出來(lái)的時(shí)候都讓物理學(xué)家有點(diǎn)兒懵。但是短短幾年之后，就獲得了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，并且被普遍接受。到1921年，講光電效應(yīng)的那篇論文還得了一個(gè)小獎(jiǎng)，叫“諾貝爾獎(jiǎng)”。 我有時(shí)候就想，如果把一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)家穿越到1905年去，他敢不敢用這個(gè)速度發(fā)表那些論文，敢不敢一個(gè)人獨(dú)占這么多革命的榮譽(yù) —— 我覺(jué)得小說(shuō)都不敢這么寫(xiě)。 沒(méi)錯(cuò)，愛(ài)因斯坦是專(zhuān)門(mén)來(lái)改變世界的。 一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的 到現(xiàn)在這一步，一切的危機(jī)就是一個(gè)問(wèn)題：麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)解出來(lái)的光速，到底是相對(duì)于誰(shuí)的。實(shí)驗(yàn)證明光速與光源的速度無(wú)關(guān)，而以太不存在，地球上哪個(gè)方向的光速都一樣。那這件事兒你到底怎么面對(duì)。 現(xiàn)在愛(ài)因斯坦出手了。 請(qǐng)問(wèn)你麥克斯韋計(jì)算出來(lái)的這個(gè)光速，是相對(duì)于誰(shuí)的呢？從邏輯角度，我們不能脫離坐標(biāo)系（或者叫“參照系”）談速度。 于是物理學(xué)家相信，光既然是一種波動(dòng)，光速就一定是相對(duì)于某種“介質(zhì)”的速度。并不是物理學(xué)家觀(guān)察到過(guò)以太的蛛絲馬跡，也不是物理學(xué)家固執(zhí)地相信凡是波都必須得有介質(zhì) —— 物理學(xué)家憑空想象這么一個(gè)以太，純粹是為了回答“光速到底是相對(duì)于誰(shuí)”這個(gè)問(wèn)題。 1887年的“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是地球上的光速在所有方向上都是一樣的。這也就是說(shuō)根本就沒(méi)有以太。這也就是說(shuō)光根本不需要介質(zhì)，就能在空間傳播。這也就是說(shuō)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止還真是沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。但這也就是說(shuō)，物理學(xué)家還是不知道光速到底是相對(duì)于誰(shuí)的。1887年，全體物理學(xué)家都陷入了困惑。他們還得再等18年才能知道答案。而提供答案的人，現(xiàn)在才只有8歲 愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論的論文題目叫做《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，直接說(shuō)的就是光速危機(jī)。愛(ài)因斯坦的解決方案是一個(gè)撥云見(jiàn)日的斷言 ——一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的。 這句話(huà)叫做“相對(duì)性原理”。它是伽利略相對(duì)論的推廣。伽利略說(shuō)力學(xué)*在一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止的坐標(biāo)系中是一樣的，而愛(ài)因斯坦現(xiàn)在說(shuō)不用非得是力學(xué)，一切物理定律 —— 包括電動(dòng)力學(xué) —— 都是一樣的。 這其實(shí)就是我們一開(kāi)頭說(shuō)的那個(gè)物理學(xué)家的簡(jiǎn)單信念。而有意思的是，光速不變，可以說(shuō)就包括在相對(duì)性原理之中。不管你是哪個(gè)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，電動(dòng)力學(xué)都一樣，所以解出來(lái)的光速自然也都一樣， 光速c = 299,792,458 米/秒. 光速是相對(duì)于誰(shuí)的？答案是不管相對(duì)于誰(shuí)，它都是同一個(gè)數(shù)。物理學(xué)家用英文小寫(xiě)字母 c 來(lái)代表光速，它不是一個(gè)變量，它是一個(gè)常量。這也就意味著，不管你是站在地面靜止不動(dòng)，還是在飛奔的高鐵上，還是在以接近光速飛行的宇宙飛船上，當(dāng)你看到一束光的時(shí)候，這束光的速度永遠(yuǎn)都是 c。 那怎么會(huì)是這樣呢？難道不同坐標(biāo)系下的速度不應(yīng)該疊加嗎？難道我迎著光走的時(shí)候光速相對(duì)于我不應(yīng)該更快一點(diǎn)嗎？愛(ài)因斯坦說(shuō)，不是。不是光有問(wèn)題，是你的時(shí)空觀(guān)有問(wèn)題。只要你堅(jiān)信相對(duì)性原理和光速不變，狹義相對(duì)論的各個(gè)結(jié)論就都可以用數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來(lái)。 時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮，都是相對(duì)的，取決于你的坐標(biāo) 相對(duì)論效應(yīng)會(huì)讓一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間變慢。這個(gè)效應(yīng)叫 “時(shí)間膨脹”，它可以用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 怎么理解時(shí)間變慢這個(gè)現(xiàn)象呢？是我們測(cè)量用的表有問(wèn)根據(jù)相對(duì)性原理，物理定律在任何一個(gè)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系都應(yīng)該一樣，表根本就感覺(jué)不到自己是在運(yùn)動(dòng)還是靜止。不但表感覺(jué)不到，如果你跟著盒子一起動(dòng)，你的意識(shí)、你身上的每個(gè)細(xì)胞，組成你的每個(gè)原子，也都感覺(jué)不到任何問(wèn)題。是時(shí)間本身，變慢了。而這個(gè)“變慢”也是相對(duì)的。運(yùn)動(dòng)的你完全感覺(jué)不到慢，是在地面不動(dòng)的我，覺(jué)得你慢。 而且這個(gè)效應(yīng)普遍存在，你總是可以假想這個(gè)有光的盒子。只要你相對(duì)于我有個(gè)速度，我看你的時(shí)間就比我慢。為什么我們平時(shí)感覺(jué)不到這個(gè)效應(yīng)？因?yàn)槲覀兤綍r(shí)的相對(duì)速度都太低了。只有在 v 相對(duì)于 c 不是特別小的情況下，相對(duì)論效應(yīng)才會(huì)明顯。 1941年，物理學(xué)家拿μ子驗(yàn)證了相對(duì)論 。他們首先在美國(guó)華盛頓山的山頂上用儀器測(cè)量了μ子流的密度，他們專(zhuān)門(mén)統(tǒng)計(jì)那些速度是 0.994c 的μ子，看看在一定的面積內(nèi)，一小時(shí)能收集到多少個(gè)這個(gè)速度的μ子。 華盛頓山的高度大約是2公里。這些μ子從山頂?shù)竭_(dá)山底大約需要走6.7微秒。如果這些高速μ子的半衰期跟靜止μ子一樣，那么這6.7微秒可是好幾個(gè)半衰期，山底收集到的μ子數(shù)應(yīng)該是山頂?shù)?nbsp;8.5 分之一。 可是，如果相對(duì)論是對(duì)的，那么這些速度是 0.994c 的μ子的時(shí)間就應(yīng)該變慢，它們的半衰期就應(yīng)該變長(zhǎng)，那么你在山底就應(yīng)該收集到更多的μ子。這就相當(dāng)于飛船上的一群宇航員，走了很遠(yuǎn)的距離本來(lái)應(yīng)該幾乎全死了，結(jié)果卻沒(méi)有死多少。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，山底收集到的μ子數(shù)是山頂?shù)?nbsp;1.3 分之一。這些μ子真的通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)保持了青春 —— 這正是相對(duì)論預(yù)言的結(jié)果，數(shù)值絲毫不差。 1979年物理學(xué)家又做了一次實(shí)驗(yàn)，他們用歐洲核子中心的粒子加速器把μ子加速到了0.9994c，結(jié)果這些μ子的平均壽命就被延長(zhǎng)了29.3倍！相對(duì)論不但正確，而且非常精確。 另外，有一種精度非常非常高的原子鐘。你把兩個(gè)原子鐘先對(duì)好時(shí)間，然后一個(gè)放在地面不動(dòng)，帶上另一個(gè)坐民航的國(guó)際航班飛上一圈。你飛回來(lái)再把這兩個(gè)原子鐘放在一起，就發(fā)現(xiàn)它們的時(shí)間有一個(gè)極其微小的差異 —— 但是這個(gè)差異是實(shí)實(shí)在在的。參加了飛行的那個(gè)原子鐘，現(xiàn)在比留在地面的那個(gè)要年輕一點(diǎn)。 那如此說(shuō)來(lái)，那些經(jīng)常在天上飛的飛行員和空姐，他們都比一般同齡人要年輕一點(diǎn)！當(dāng)然他們速度不夠高，一輩子也差不了一秒。而如果你能把速度提高到無(wú)比地接近光速，那你的一天是地面上的人一年、甚至一千年，在理論上都是可能的。你就等于是穿越到了未來(lái)。 長(zhǎng)度收縮 跟時(shí)間膨脹相對(duì)應(yīng)的一個(gè)效應(yīng)是“長(zhǎng)度收縮”。我們還是說(shuō)宇航員。同樣是一段距離，我們?cè)诘孛婵此麘?yīng)該飛25年才能到，在他自己看來(lái)，飛15年就到了。而且請(qǐng)注意，不管在我們看來(lái)還是在他看來(lái)，飛船相對(duì)于這段距離的飛行速度可是一樣的。那么這就意味著，宇航員看到的這個(gè)距離，比我們看到的要短。 所以，長(zhǎng)度是個(gè)相對(duì)的概念。一個(gè)物體的長(zhǎng)度在相對(duì)于它靜止的坐標(biāo)系中是最大的，如果你跟它有一個(gè)相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，你會(huì)覺(jué)得它比靜止的時(shí)候短一些。這就是長(zhǎng)度收縮。 其實(shí)嚴(yán)格地說(shuō)，有人計(jì)算得出，三維物體的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)是你*觀(guān)察*到的，而不是你*看*到的。考慮到物體各個(gè)部分的光到達(dá)你眼睛的距離不一樣，你的眼睛實(shí)際看到的感覺(jué)只是這個(gè)物體旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度而已。你在視覺(jué)上不會(huì)覺(jué)得它變短了，但是考慮到光速，你做一番計(jì)算的話(huà)，會(huì)得出它變短的結(jié)論……這個(gè)咱們也不必細(xì)說(shuō)。 時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮這兩個(gè)效應(yīng)告訴我們什么呢？空間的長(zhǎng)短也好，時(shí)間的快慢也好，都跟坐標(biāo)系有關(guān)。不同坐標(biāo)系中的觀(guān)測(cè)者看到的時(shí)間和空間是不一樣的。時(shí)空并不是一個(gè)客觀(guān)的、不變的、一視同仁的大舞臺(tái)，每個(gè)坐標(biāo)系有自己的時(shí)空數(shù)字。不同的坐標(biāo)系要想交流，得先做“坐標(biāo)變換”，把對(duì)方的時(shí)空數(shù)字轉(zhuǎn)換成自己的。 但是，在每個(gè)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系內(nèi)部，你所用的物理方程，都是一模一樣的。 如果永遠(yuǎn)不聯(lián)系，你在飛船的生活跟我在地面的生活就沒(méi)有任何區(qū)別?？墒且坏┮?lián)系，咱倆的數(shù)字就非常不一樣。而所有這些不一樣，又恰恰是因?yàn)楣馑僭谒凶鴺?biāo)系下都一樣。 物理學(xué)家之所以能發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)效應(yīng)，純粹是因?yàn)樗麄儚南鄬?duì)性原理和光速不變這兩條基本假設(shè)出發(fā)，用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果。只要你堅(jiān)信這兩條假設(shè)，那么不管推導(dǎo)出什么離奇的東西，你就都得接受。你放任一個(gè)怪異的東西進(jìn)門(mén)，就得準(zhǔn)備好迎接整個(gè)新世界。這簡(jiǎn)直就像是你嫁給一個(gè)人，就得接受他身上所有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，包括他的整個(gè)家族……你等于是打開(kāi)了一個(gè)魔盒。 時(shí)間和空間都是相對(duì)的，但是“事件”是絕對(duì)的。比如說(shuō)咱倆見(jiàn)面握手，這件事不管在什么坐標(biāo)系下觀(guān)察，它發(fā)生就是發(fā)生了，沒(méi)發(fā)生就是沒(méi)發(fā)生，沒(méi)有任何疑義。但是，事件發(fā)生的先后次序，卻是不一定的。 思想實(shí)驗(yàn) 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是物理課上常用的例子，它跟愛(ài)因斯坦本人設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)有點(diǎn)像，但是能說(shuō)的更清楚。我們想象有一輛火車(chē)正在鐵軌上從左到右高速運(yùn)動(dòng)?；疖?chē)上的中間點(diǎn)站著一個(gè)觀(guān)測(cè)者，叫老李。你站在火車(chē)外的地面上。也就是說(shuō)，你是處在相對(duì)于地面靜止的坐標(biāo)系，而老李則是處在火車(chē)坐標(biāo)系中，他在相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)。 好，我們假設(shè)老李在火車(chē)中間點(diǎn)這個(gè)位置，點(diǎn)亮了一盞燈。你站在地面上，也注意到了這盞燈。 那么請(qǐng)問(wèn)，這盞燈的燈光到達(dá)火車(chē)車(chē)頭，和燈光到達(dá)火車(chē)車(chē)尾，這兩個(gè)事件，是同時(shí)發(fā)生的嗎？ 咱們先看老李。對(duì)老李來(lái)說(shuō)，燈光距離車(chē)頭和車(chē)尾的距離相等，而光速是固定的，所以這兩件事當(dāng)然是同時(shí)發(fā)生的。下面這張圖表現(xiàn)了老李看到的光的路線(xiàn)，在每一個(gè)時(shí)刻，光距離車(chē)頭和車(chē)位的長(zhǎng)度都是相等的。 可是對(duì)于站在地面上的你來(lái)說(shuō)，可就不是這樣了。光在往前和往后走的這段時(shí)間內(nèi)，火車(chē)在移動(dòng)。你看到的前后兩束光的路線(xiàn)是下面這樣的 —— 注意，在你看來(lái)，光速是相對(duì)于*你*，而不是相對(duì)于火車(chē)不變。光源只要閃一下就行，你一直記得光源的位置。在你看來(lái)，在光往左邊走的這段時(shí)間內(nèi)，車(chē)尾也在往右邊走。那么也就是說(shuō)，當(dāng)左邊的光接觸到車(chē)尾的時(shí)候，右邊的光還沒(méi)有接觸到車(chē)頭。 所以在你看來(lái)，是車(chē)尾先接收到這束光，車(chē)頭后接收到光 —— 這兩件事不是同時(shí)發(fā)生的。 同時(shí)不同時(shí)，取決于你是在哪個(gè)坐標(biāo)系下看。 光錐之內(nèi)才是命運(yùn)，相對(duì)論不會(huì)混淆因果關(guān)系。 科幻小說(shuō)里經(jīng)常有穿越到過(guò)去改變歷史的劇情。那你肯定想過(guò)這么一個(gè)問(wèn)題 ——比如我穿越到自己的小時(shí)候，然后殺死那時(shí)候的我，那將會(huì)發(fā)生什么呢？ 我要說(shuō)的就是別擔(dān)心，狹義相對(duì)論禁止這件事發(fā)生。雖然前面我們說(shuō)到有些事件的先后順序是相對(duì)的，但是相對(duì)論并沒(méi)有拋棄“過(guò)去”和“未來(lái)”這兩個(gè)詞。有些事兒的先后順序在哪個(gè)坐標(biāo)系下看都是一樣的。相對(duì)論不會(huì)混淆因果關(guān)系。 為此我們就需要“光錐”了。所謂光錐，就是在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，看看光最遠(yuǎn)能走多遠(yuǎn)，把這個(gè)范圍畫(huà)出來(lái)，形成上下兩個(gè)圓錐形。這兩個(gè)光錐，代表了事件 A 的影響力邊界。 為什么是這樣？因?yàn)楣馑偈切畔鬟f最快的速度。比如說(shuō)，我們知道光從太陽(yáng)走到地球需要8分鐘。那么請(qǐng)問(wèn)，此時(shí)此刻的太陽(yáng)和你之間，能互相影響嗎？答案是不能。哪怕太陽(yáng)此刻已經(jīng)消失了，你也得在8分鐘之后才感覺(jué)到。 這個(gè)原理就是光速不能到達(dá)的時(shí)空的事件，跟此刻的你沒(méi)關(guān)系。但是，如果光速可以到達(dá)，那么兩個(gè)事件的先后關(guān)系就是明確的。 考慮到光錐，我們就可以得出一個(gè)有意思的結(jié)論 —— “過(guò)去”和“未來(lái)”都有實(shí)實(shí)在在的范圍，但是“現(xiàn)在”，卻是一個(gè)相對(duì)的概念。 這個(gè)坐標(biāo)系中的那個(gè)平面是這個(gè)坐標(biāo)系中事件 A 的現(xiàn)在 —— E 和 A 同時(shí)發(fā)生，是“現(xiàn)在”的事兒。但是 E 是在 A 的光錐之外。這也就是說(shuō)，在另一個(gè)坐標(biāo)系中，E 和 A 就不是同時(shí)發(fā)生的了，可能發(fā)生在 A 的過(guò)去或者未來(lái)。 現(xiàn)在，其實(shí)是一個(gè)幻覺(jué)。你影響不了現(xiàn)在，也不被現(xiàn)在影響。 狹義相對(duì)論的延展 光速疊加： 根據(jù)這個(gè)公式，不管你要疊加的兩個(gè)速度如何地接近光速，結(jié)果都無(wú)法超過(guò)光速.那你大概可以想象，給一個(gè)飛船不斷地加速，應(yīng)該也無(wú)法超過(guò)光速。 質(zhì)量增大 根據(jù)這個(gè)公式 ，我在這里只想說(shuō)一件事 —— 也就意味著一切有質(zhì)量的物體都不可能達(dá)到光速?，F(xiàn)代物理學(xué)家可以用加速器讓一個(gè)電子達(dá)到0.9999c，但是它永遠(yuǎn)都不可能達(dá)到真正的光速。 但是，如果一個(gè)東西的靜止質(zhì)量是0，它的質(zhì)量就永遠(yuǎn)都是0，它就談不上加速和減速。為什么光子的速度是光速？因?yàn)楣庾拥撵o止質(zhì)量就是0。光子不會(huì)減速，它的時(shí)間也永遠(yuǎn)不動(dòng)，它不會(huì)變老 —— 它要么以光速運(yùn)動(dòng)，要么消失。 E = mc2，質(zhì)量就是能量 我們已經(jīng)知道運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量會(huì)變重。那請(qǐng)問(wèn)，多出來(lái)的重量，是多在了哪里呢？愛(ài)因斯坦把質(zhì)量變化的公式做了一個(gè)小小的變化 —— 我們就能看出來(lái)，在速度比較低的情況下，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和靜止質(zhì)量的差異，乘以 c2，正好就是牛頓力學(xué)里的“動(dòng)能”。 換句話(huà)說(shuō)，質(zhì)量*增加*的部分是能量……那質(zhì)量*本身*，是否也是能量呢？ 愛(ài)因斯坦就產(chǎn)生了這么一個(gè)洞見(jiàn)：mc2 代表一個(gè)物體的*全部能量* —— 哪怕它靜止不動(dòng)，它的質(zhì)量本身，也有能量。這就是著名的“質(zhì)能方程”—— 我們可以說(shuō)愛(ài)因斯坦再一次看破了紅塵。宇宙中所有的東西，無(wú)非就是質(zhì)量和能量 —— 而愛(ài)因斯坦現(xiàn)在告訴你，這兩種東西其實(shí)是一回事：質(zhì)量就是能量。 從相對(duì)論到廣義相對(duì)論 廣義相對(duì)論給我的感覺(jué)就是這樣。大，而且優(yōu)雅。廣義相對(duì)論是一個(gè)美麗的理論。 牛頓的引力公式過(guò)于直白，沒(méi)有內(nèi)涵。我們應(yīng)該慶幸自己生活在一個(gè)廣義相對(duì)論主導(dǎo)的宇宙里。廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)特別難，思想?yún)s是簡(jiǎn)單的，只是非常深刻。想想它的來(lái)龍去脈，它意味著什么，它能推演出什么東西，其樂(lè)無(wú)窮。 咱們還是先來(lái)一點(diǎn)鋪墊。講狹義相對(duì)論的時(shí)候我們已經(jīng)看到，愛(ài)因斯坦喜歡給你設(shè)定一兩條最簡(jiǎn)單的原理，然后不管推導(dǎo)出來(lái)什么怪異的結(jié)論你都得接受。廣義相對(duì)論也是這樣。我們知道狹義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)是“相對(duì)性原理”：一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的。 現(xiàn)在愛(ài)因斯坦想的就是，為什么非得限制成“勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”呢？為什么*加速*運(yùn)動(dòng)就不行呢？物理學(xué)中的速度不但有大小而且有方向，所謂“加速運(yùn)動(dòng)”，就包括了像圓周運(yùn)動(dòng)、拐彎、變速等等各種運(yùn)動(dòng)。有了一個(gè)加速度，就可以描寫(xiě)所有“瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)”了。 所以愛(ài)因斯坦說(shuō)，我能不能把相對(duì)性原理再推廣一下，改成 —— 在所有的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的。這就叫“廣義的相對(duì)性原理”。這個(gè)思路很有哲學(xué)味道，但是它蘊(yùn)含著顛覆性的新物理學(xué)。 為此，愛(ài)因斯坦必須弄清楚“引力”。 引力和加速度 那么愛(ài)因斯坦就問(wèn)，我在飛船上做加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，感受到火箭的推力，這種感覺(jué)，和我站在地面感受到地球的引力，有什么區(qū)別嗎？ 地球引力給我們的感覺(jué)是實(shí)實(shí)在在的。你站立的時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)覺(jué)得累，就算躺在床上，后背也會(huì)有一個(gè)壓力?？墒窃陲w船上也是這樣，加速會(huì)給你一個(gè)推力的感覺(jué)。 在地面，如果我讓一個(gè)小球自然下落，它在引力作用下會(huì)越落越快，加速?zèng)_向地面?？墒俏以诨鸺镆彩沁@樣 —— 我放開(kāi)小球，小球就自由了，但是火箭在往上走，火箭的地板會(huì)加速?zèng)_向小球：在我看來(lái)，這完全等同于小球加速?zèng)_向地面。 一個(gè)是加速向上的火箭里，一個(gè)是站在地面靜止。牛頓會(huì)認(rèn)為這完全是兩回事，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不一樣，受力情況也不一樣，前者你只受到火箭的推力，后者你同時(shí)受到地球的引力和地面的推力。 但是愛(ài)因斯坦說(shuō)，我在飛船內(nèi)部做實(shí)驗(yàn)，明明觀(guān)測(cè)不到任何區(qū)別。 自由落體和沒(méi)有引力 這給了很多觀(guān)眾一個(gè)誤解，以為是太空沒(méi)有引力。其實(shí)空間站的高度跟地球半徑相比不算什么，太空的引力并不比地面低多少。你在太空之所以感覺(jué)不到引力，是因?yàn)槟闶窃谧鲎杂陕潴w運(yùn)動(dòng)！ 好，那愛(ài)因斯坦問(wèn)，這種運(yùn)動(dòng)中的失重感，跟我在一個(gè)遠(yuǎn)離一切星球、做一個(gè)完全不受外力影響的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，有什么區(qū)別嗎？牛頓會(huì)說(shuō)當(dāng)然有區(qū)別！前者是引力作用下的加速運(yùn)動(dòng)，后者是沒(méi)有外力時(shí)的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)！ 但是愛(ài)因斯坦說(shuō)，我身處那樣的環(huán)境，不管做什么實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別。這就很有意思了。之所以沒(méi)區(qū)別，這里邊蘊(yùn)含著一個(gè)你想不到，但是在物理學(xué)家看來(lái)是極其怪異的事實(shí)。 咱們先想想這個(gè)問(wèn)題：為什么自由落體明明是個(gè)加速運(yùn)動(dòng)，可是愛(ài)因斯坦卻說(shuō)它跟勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)沒(méi)區(qū)別呢？因?yàn)樽杂陕潴w狀態(tài)下所有物體的加速度都是一樣的。 牛頓力學(xué)告訴我們，一個(gè)物體受到力，是導(dǎo)致它產(chǎn)生加速度的原因，力 = 質(zhì)量 × 加速度。受力帶來(lái)的加速度大小跟這個(gè)物體的質(zhì)量有關(guān)系，對(duì)吧？這個(gè)質(zhì)量，我們先稱(chēng)之為“慣性質(zhì)量”。 牛頓引力公式又告訴我們，每個(gè)物體感受到的地球引力的大小，也跟這個(gè)物體自身的質(zhì)量成正比，對(duì)吧？這里又有一個(gè)質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量，我們先稱(chēng)之為“引力質(zhì)量”。 中學(xué)老師一上來(lái)就告訴你“質(zhì)量、質(zhì)量” —— 可是你想過(guò)沒(méi)有，這兩個(gè)地方出現(xiàn)的質(zhì)量，為什么是一樣的呢？換句話(huà)說(shuō)，為什么“慣性質(zhì)量”非得等于“引力質(zhì)量”呢？ 這是一個(gè)完全合法的疑問(wèn)。慣性質(zhì)量決定了力怎么給物體帶來(lái)加速度 —— 任何形式的力都可以，電磁力帶來(lái)加速度也是用這個(gè)質(zhì)量算，這里面跟“引力”并沒(méi)有天生的關(guān)系。引力質(zhì)量?jī)H僅是引力的一個(gè)性質(zhì)，決定了一個(gè)物體受到的引力大小，也就是“重量”。 我們小時(shí)候總是默認(rèn)質(zhì)量就是重量，越重的東西就越不容易推動(dòng)，其實(shí)它們是兩回事。你想想，比如這里有一個(gè)胖子，他的“重量”是個(gè)向下的東西；而你要推他容不容易推動(dòng)，那是一個(gè)水平方向上的故事。加速度可以是任何力在任何方向的結(jié)果，引力可是只有一個(gè)方向，那這兩者為什么一樣呢？ 慣性質(zhì)量正好等于引力質(zhì)量這件事，現(xiàn)代物理學(xué)家能給的最好解釋?zhuān)恰儗偾珊稀Ｎ锢韺W(xué)家在真空中精確測(cè)量過(guò)兩個(gè)鐵球是不是同時(shí)落地，在月球上都做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都是慣性質(zhì)量精確地等于引力質(zhì)量。我們不知道為什么這個(gè)世界是這樣的，但是它就是這樣的。 慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量 廣義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)，是愛(ài)因斯坦的一個(gè)斷言 ——在任何局部實(shí)驗(yàn)中，引力和加速運(yùn)動(dòng)無(wú)法區(qū)分。這句話(huà)叫做“等效原理”，它等于就是說(shuō)“慣性質(zhì)量 = 引力質(zhì)量”。 在一個(gè)封閉的房間里，你說(shuō)你正在地面待著享受引力，我可以說(shuō)你其實(shí)是在一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的火箭里。你說(shuō)你正在引力的作用下享受自由落體，我可以說(shuō)你其實(shí)是處在一個(gè)不受任何引力影響的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中。 愛(ài)因斯坦說(shuō)，只要這個(gè)房間的尺度不是超級(jí)大，你說(shuō)的和我說(shuō)的就沒(méi)區(qū)別。 那我們?cè)傧胂?，引力到底是個(gè)什么東西。站在地面上，你能切切實(shí)實(shí)感到引力的存在?？墒侵灰汶S便做個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)，引力對(duì)你就不存在。 一個(gè)東西如果是真實(shí)的存在，它怎么可能在靜止坐標(biāo)系下看就有，在一個(gè)加速坐標(biāo)系下看就沒(méi)有了呢？愛(ài)因斯坦的新要求可是物理定律不管在什么坐標(biāo)系下都一樣。 我們的結(jié)論就只能是，引力這個(gè)東西，其實(shí)是個(gè)幻覺(jué)。……或者說(shuō)的嚴(yán)格一點(diǎn)。在局部，引力根本就不存在。在大尺度范圍，引力根本就不是力……正如鯨魚(yú)不是魚(yú)。 那引力到底是什么呢？只有愛(ài)因斯坦能提出這樣的問(wèn)題，也只有愛(ài)因斯坦能回答這個(gè)問(wèn)題。咱們下一講再說(shuō)。 廣義相對(duì)論 它簡(jiǎn)單地說(shuō)就是兩句話(huà)。第一，一個(gè)有質(zhì)量的物質(zhì)，會(huì)彎曲它周?chē)臅r(shí)空。這叫“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲”。第二，在不受外力的情況下，一個(gè)物體總是沿著時(shí)空中的測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這叫“時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”。完了。這里邊根本沒(méi)有引力的事兒，根本不需要引力。 廣義相對(duì)論的證據(jù)
天文學(xué)家早在1859年就觀(guān)測(cè)到，太陽(yáng)系里距離太陽(yáng)最近的行星，水星，一直都有一個(gè)進(jìn)動(dòng)。 但是19世紀(jì)的天文學(xué)家已經(jīng)在很大程度上解釋了水星的進(jìn)動(dòng)。因?yàn)樗歉浇€有其他行星，比如金星和地球，這些行星對(duì)水星也有引力，會(huì)干擾水星的軌道。天文學(xué)家精確計(jì)算了這些干擾，最后只剩下一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，可以說(shuō)是牛頓力學(xué)無(wú)法解釋的。 這一點(diǎn)點(diǎn)有多大呢？是每一百年，進(jìn)動(dòng)43弧秒。這是個(gè)什么概念呢？我們知道圓周有360度，然后一度分為60弧分，然后一弧分再分成60弧秒。100年43弧秒，這是一個(gè)幾乎無(wú)法察覺(jué)到的差距。但是天文學(xué)家對(duì)自己的計(jì)算非常有把握，他們認(rèn)定，這43弧秒需要一個(gè)解釋。 結(jié)果1916年，愛(ài)因斯坦做了一個(gè)計(jì)算，得出，因?yàn)閺V義相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致的水星軌道的進(jìn)動(dòng)……正好是每100年43弧秒！ 2.光線(xiàn)彎曲 愛(ài)因斯坦1916年計(jì)算出光線(xiàn)彎曲的正確結(jié)果，然后1919年5月29號(hào)，就有一次日全食。那時(shí)候第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓，專(zhuān)門(mén)說(shuō)服英國(guó)政府給了一筆經(jīng)費(fèi)，組織了兩個(gè)觀(guān)測(cè)團(tuán)隊(duì)，一個(gè)去巴西一個(gè)去非洲，專(zhuān)門(mén)為了驗(yàn)證廣義相對(duì)論觀(guān)測(cè)這次日食。 結(jié)果愛(ài)丁頓的團(tuán)隊(duì)就真的看到了原本不該出現(xiàn)在太陽(yáng)周?chē)膸最w星 —— 愛(ài)丁頓在皇家科學(xué)院宣讀了觀(guān)測(cè)結(jié)果，證明是廣義相對(duì)論說(shuō)得對(duì)。英國(guó)泰晤士報(bào)的報(bào)道用了個(gè)通欄標(biāo)題 —— 《科學(xué)革命 —— 關(guān)于宇宙的新理論 —— 牛頓思想被推翻！》 廣義相對(duì)論里邊說(shuō)的物質(zhì)彎曲空間，你可以理解成是物質(zhì)的“靜止質(zhì)量”在彎曲空間，靜止質(zhì)量是所有坐標(biāo)系都同意的不變量。時(shí)空的內(nèi)在幾何形狀是絕對(duì)的，但是時(shí)空在不同的坐標(biāo)系有不同的樣。 根本沒(méi)有引力，只是時(shí)空彎曲 愛(ài)因斯坦再一次看破了紅塵。什么是引力？你可以說(shuō)根本沒(méi)有引力，有的只是時(shí)空的彎曲。 或者你也可以說(shuō)，所謂引力，就是在大尺度下才能看出來(lái)的、時(shí)空的彎曲。鯨魚(yú)的身體是曲線(xiàn)的，但是如果你離近了看，它身上每個(gè)地方都可以用一個(gè)很平的小平面近似。局部的測(cè)地線(xiàn)就是很直很直的直線(xiàn)，這就是為什么我們上一講說(shuō)局部沒(méi)有引力。 說(shuō)到這里，我們要重新定義“自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”這個(gè)概念。所謂自然運(yùn)動(dòng)，就是在沒(méi)有任何外力干擾的情況下，一個(gè)物體自由自在的狀態(tài)。 亞里士多德認(rèn)為自然的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是靜止。這符合我們的生活經(jīng)驗(yàn)：沒(méi)有外力的干擾的東西好像都是靜止不動(dòng)的。 但是后來(lái)伽利略和牛頓說(shuō)不對(duì)，力并不是讓物體運(yùn)動(dòng)的原因，力其實(shí)是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。一個(gè)物體在光滑的平面上滑動(dòng)，如果沒(méi)有任何摩擦力干擾，它就會(huì)一直這么動(dòng)下去。所以勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和靜止沒(méi)區(qū)別，都是自然運(yùn)動(dòng)。 好，現(xiàn)在愛(ài)因斯坦告訴你，一切沿著測(cè)地線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，都是自然運(yùn)動(dòng)。 我們可以想象，在太空中找一個(gè)周?chē)浅？諘?、沒(méi)有任何星體的地方，這里的時(shí)空是平直的，測(cè)地線(xiàn)是完美的直線(xiàn)，所以沿著測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)正好就是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 那如果時(shí)空是彎曲的，宇航員就會(huì)繞著地球轉(zhuǎn)，失控的電梯就會(huì)直接掉下去，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)其實(shí)都是自由落體，都是非常本分地沿著自己的測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)！所以它們雖然有加速度，但是仍然是自然運(yùn)動(dòng)。 自由落體，跟勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，跟靜止，沒(méi)有任何區(qū)別。你在其中一個(gè)封閉的實(shí)驗(yàn)室里不管做什么實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法把它們區(qū)別開(kāi)來(lái)。愛(ài)因斯坦說(shuō)它們是一回事，都是沿著測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，都是自然運(yùn)動(dòng)。 反過(guò)來(lái)說(shuō)，你站在地面不動(dòng)，站一會(huì)兒就累了，這其實(shí)是一種*不自然*的運(yùn)動(dòng)。你本來(lái)想沿著測(cè)地線(xiàn)往下掉，可是地板阻止了你。想要體驗(yàn)真正的自由，你應(yīng)該搞一個(gè)……自由落體運(yùn)動(dòng)。 時(shí)間變慢 廣義相對(duì)論也有一個(gè)時(shí)間膨脹效應(yīng)?？臻g彎曲得厲害、也就是引力場(chǎng)強(qiáng)的地方的時(shí)間，會(huì)比引力場(chǎng)弱的地方要慢一些。用老百姓的話(huà)說(shuō)，就是高處的時(shí)間會(huì)比我們?cè)诘孛嫔系臅r(shí)間快一些。 想要理解這一點(diǎn)，首先你得知道物理學(xué)上有一個(gè)現(xiàn)象叫“多普勒效應(yīng)”。接下來(lái)的推理過(guò)程非常有意思，不要錯(cuò)過(guò)愛(ài)因斯坦的精妙思想！ 多普勒效應(yīng)是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)什么波，如果它是向你而來(lái)的，因?yàn)槊恳粋€(gè)周期都變短了一點(diǎn)，它的頻率就會(huì)提高；如果它是離你而去的，頻率就會(huì)降低。比如一輛火車(chē)向你開(kāi)過(guò)來(lái)，你聽(tīng)它的汽笛聲會(huì)更尖銳一些；火車(chē)離你而去，汽笛聲就變低沉。 光波也是這樣。我們現(xiàn)在知道光的速度是不變的 —— 但是光的頻率可以變。如果發(fā)光點(diǎn)是向你走過(guò)來(lái)，光的頻率就顯得就更高一些，表現(xiàn)出來(lái)，就是你看到這個(gè)光的顏色會(huì)變得更藍(lán)一點(diǎn)，這個(gè)叫“藍(lán)移”。而如果發(fā)光點(diǎn)是在離你而去，光的頻率就會(huì)變低，表現(xiàn)在顏色上就會(huì)發(fā)紅，叫“紅移”。天文學(xué)家正是通過(guò)紅移和藍(lán)移，來(lái)判斷宇宙中哪些星星是離地球而去，哪些是朝著地球飛來(lái)。 現(xiàn)在我們回到之前說(shuō)的那個(gè)在自由落體的電梯里的思想實(shí)驗(yàn)。我們想象，電梯從地板向天棚射出了一束光。下面咱們考慮兩個(gè)場(chǎng)景。 場(chǎng)景一，電梯是處在一個(gè)沒(méi)有任何引力的空間里，它是自由自在地勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。那我們可以想象，這束光應(yīng)該既沒(méi)有紅移，也沒(méi)有藍(lán)移，就是本來(lái)的樣子。 場(chǎng)景二，電梯是在地球的引力場(chǎng)中做自由落體運(yùn)動(dòng)，它會(huì)有一個(gè)從上到下的加速度。天棚就會(huì)加速?zèng)_向那一束剛剛離開(kāi)了地板的光波。當(dāng)然，天棚看到的光速還是一樣的 —— 但是，天棚會(huì)覺(jué)察到這束光有一個(gè)藍(lán)移。 好，這就有問(wèn)題了。根據(jù)等效原理，場(chǎng)景一和場(chǎng)景二的電梯里面的物理學(xué)應(yīng)該完全一樣，應(yīng)該是你不管做什么實(shí)驗(yàn)都不會(huì)發(fā)現(xiàn)二者有什么區(qū)別。那場(chǎng)景二的這個(gè)藍(lán)移，是怎么回事兒呢？ 一般人想到這里可能會(huì)說(shuō)，啊，這說(shuō)明等效原理不對(duì) —— 所以一般人不是愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦非常相信等效原理。 所以愛(ài)因斯坦說(shuō)，場(chǎng)景二也應(yīng)該看不到光的藍(lán)移。為了做到這一點(diǎn)，場(chǎng)景二中的引力場(chǎng)，必須提供一個(gè)紅移，去抵消加速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的光的藍(lán)移！ 為此，愛(ài)因斯坦要求引力場(chǎng) —— 或者說(shuō)彎曲的時(shí)空 —— 必須具備一個(gè)性質(zhì)：它必須帶有紅移！這就是“引力紅移”。 也就是說(shuō)，身處引力場(chǎng)中，從高處看星體發(fā)出來(lái)的光，會(huì)有一個(gè)天然的紅移。 這也就是說(shuō)你老得比我慢。這也就是說(shuō)引力能導(dǎo)致時(shí)間膨脹。引力紅移在地面附近導(dǎo)致的時(shí)間膨脹和高度成正比，距離地面越高的地方時(shí)間過(guò)得越快。 好，現(xiàn)在我們來(lái)思考一個(gè)特別有詩(shī)意的事兒 —— 其他地方不會(huì)帶給你這樣的感受：掉入黑洞，是一種什么樣的體驗(yàn)。 比如說(shuō)，你前往黑洞一游，我坐在遠(yuǎn)處的太空船里看著你。因?yàn)閺?qiáng)烈的時(shí)間膨脹效應(yīng)，當(dāng)你接近黑洞的時(shí)候，我會(huì)看到你的動(dòng)作變得越來(lái)越慢。你會(huì)比我老得慢！ 接近黑洞不一定就會(huì)掉進(jìn)黑洞里。事實(shí)上因?yàn)楹诙吹某叽缤容^小，想掉進(jìn)去也不容易。你完全可以把黑洞當(dāng)做一顆普通的行星，你繞著黑洞轉(zhuǎn)幾圈。你完全是自由落體運(yùn)動(dòng)，不會(huì)感到任何不適。但是因?yàn)楹诙匆?chǎng)太強(qiáng)，你轉(zhuǎn)的這幾圈，在我眼中可就太漫長(zhǎng)了。如果你轉(zhuǎn)兩圈就回來(lái)找我，可能我已經(jīng)老死了，而你歸來(lái)仍是少年。 但是如果你覺(jué)得在外圍轉(zhuǎn)兩圈不過(guò)癮，你想進(jìn)入事件視界看看黑洞里面是什么情況，那可就麻煩了。 你那一瞬間，是我的永恒。 |
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