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萬有引力、狹義相對論,矛盾究竟在哪?愛因斯坦留給世界的謎題?

 12345csdms 2022-07-17 發(fā)布于湖南

在狹義相對論中,一個重要的因素就是光速限定的絕對速度。眾所周知:這個速度不僅適用于有形的固體,也適用于信號等各種形式的影響作用。因為信號、干擾的傳遞,不可能大于光速。

比如,我們認知中的聲速就小于光速。聲音的傳播速度是340m/s,與300000000m/s的光速相比,簡直是微不足道。這兩種速度的區(qū)別,在雷雨天就會反應得特別明顯:我們永遠是先看到閃電,后聽到雷聲,雖然兩者是同時發(fā)生的。

這一個簡單的例子就反映了光速與聲速的差別。狹義相對論更是告訴我們:某一個信號比光速先抵達,這一切是不可能發(fā)生的,因為光速超過任何物體的速度。

在牛頓的萬有引力理論中:A物體作用在B物體的引力,取決于A、B的質量、分開的距離,與相互作用的時間無關。換而言之,物體的質量和距離發(fā)生改變,他們的引力也將發(fā)生變化。這時,矛盾就來了,小編為大家舉個例子:

比如,按照牛頓的理論推斷:假如太陽爆炸,距離1.5億km外的地球會立刻脫離軌道。但在狹義相對論的理論中,光從爆炸的太陽傳遞到地球需要8分鐘左右!但是,萬有引力理論認為:太陽爆炸可以通過引力的改變,瞬間作用到地球上。

這個例子上,引力理論得出的結論與狹義相對論產生了矛盾。因為,狹義相對論認為:任何信息傳遞的速度都小于光速,但引力理論認為這件事可以瞬時傳播。

愛因斯坦對于這種情況,他相信自己是正確的。事實上,盡管有數(shù)不清的實驗支持引力理論,但這個倔強的小老頭還是去探尋一種能與狹義相對論相容的引力理論——這就是廣義相對論。在廣義相對論中,時間、空間的性質又一次經(jīng)歷了驚人的變化。

事實上,在狹義相對論發(fā)表前,萬有引力理論也隱藏了一個嚴重的bug。理論中,它精確地預言了物體如何在引力作用下運動,但最終也未能表述什么是引力!換而言之,距離數(shù)億萬千米的物體,為什么互相影響?引力是以什么樣的方式發(fā)生作用的?

對于這點,牛頓解釋道:“非生命物體,不以任何其他非物質形式的中介而能無接觸地相互發(fā)生作用。引力或許是物質生來固有的本性,所以一個物體能通過虛空、超距地作用于另一個物體,而無需其他任何中介作為引力的承載物、傳播者。”

顯然,牛頓也沒有辦法從源頭解釋引力出現(xiàn)的原因,他只是接受引力存在的事實,并建立了描述引力的數(shù)學公式。換句話說:牛頓為世界寫了一本“萬有引力”使用指南,告訴大家如何科學合理地利用引力。

當然,物理學家們遵從書中所寫,成功地把火箭送入太空、并發(fā)現(xiàn)了行星的運動等等。但牛頓同樣也為我們留下了一個永遠的謎團:引力到底是怎么一回事?

這就像電腦,大家無須知道內部的工作原理,只知道使用方法便好。但是,機器出現(xiàn)問題后,修理人員就需要知道它的內部運行知識,才可以進行妥善的維修。愛因斯坦正是發(fā)現(xiàn):萬有引力理論出現(xiàn)了某些問題,需要“修理”,就需要弄清楚引力的本質。

1907年的夏天,瑞伯爾尼專利局的辦公室里,愛因斯坦正在思考著引力的問題。此時,經(jīng)歷了長達數(shù)年的坎坷思考,他終于找到了關鍵。

這里,小編用一個例子為大家解釋:2060年的某天,爆破專家湯姆接到了911緊急電話:在華盛頓發(fā)現(xiàn)了一顆像炸彈的東西。經(jīng)過檢查,湯姆發(fā)現(xiàn)這是一個小型核武器,威力巨大,即便埋在海底或者地殼下,爆炸也會帶來巨大的災難!

湯姆小心地檢查了一下,發(fā)現(xiàn)自己沒有辦法拆除。同時,湯姆還發(fā)現(xiàn):這是一顆重量計時炸彈,計時器的刻度盤已經(jīng)走過了一半,還有100個小時,炸彈就會爆炸。這時,湯姆想到:既然在地球上爆炸不安全,那就把它送到太空上去吧!

在FBI的案情分析會上,湯姆認為:需要把炸彈送上太空,不然會威脅到旁邊的華盛頓第一人民醫(yī)院。此時,助手牛頓表示反對:當核彈做火箭遠離地球時,引力減小,重量降低。這意味刻度盤的讀數(shù)會偏小,核武器沒出大氣層就炸了。不光華盛頓人民醫(yī)院遭殃,連附近的洛杉磯實驗小學都很危險!

這時,另一位助手愛因斯坦說:這可能還有一個更重要的問題!當火箭起飛加速時,刻度盤讀數(shù)增大,炸彈也會爆炸。因為加速會比靜止產生更大的壓力(汽車加速時,人的身體會擠壓座椅靠背),反而會讓炸彈提前爆炸。

湯姆更相信牛頓,于是詢問還有沒有更好的辦法?此時,愛因斯坦又說:牛頓認為:核彈進入太空,地球引力消失,刻度盤讀數(shù)減小。但是,在我看來火箭上升的加速會擠壓刻度盤,讓讀數(shù)增大!因此,如果我們精確調節(jié)加速度,是否可以抵消兩種情況?

湯姆聽完眼前一亮,讓愛因斯坦具體說一下,愛表示:在升空時,火箭還能感受到地球的引力,加速度可以小一些。當火箭距地球越來越遠時,引力減小,我們可以增大加速度克服引力不足!

上升加速會導致讀數(shù)增加,但引力消失會導致讀數(shù)減小!一正一反抵消,我們可以保證讀數(shù)完全不變!湯姆明白了:“你的意思是向上的加速度可以替代引力?;鸺煤侠淼募铀俣葋砟M引力效應?”愛因斯坦:“你說得對!”于是,湯姆用這個辦法避免了一場悲劇。

這一案例正是愛因斯坦在專利局的辦公室里想到的。這就是他將加速運動與引力不可分辨的性質稱作的等效原理,這一性質在廣義相對論中起到了不可分割的作用!我們看到:一切,從狹義相對論開始,到廣義相對論結束。

狹義相對論通過相對性原理,建立了不同觀察者觀點平等的前提條件(物理學定律對勻速運動的觀察者是不變的,對于加速運動的觀察者是不同的)。1907年,愛因斯坦將加速運動、勻速運動納入了統(tǒng)一體系進行描述。

愛因斯坦認為:任何觀察者,不論以何種運動狀態(tài),都可以認為自己是靜止的,其余人是在運動的,只不過是引力場不同罷了。因此,廣義相對論通過引力,保證所有觀察者的觀點都可以被合理解釋。

事實上,引力與加速運動的聯(lián)系是驚人的發(fā)現(xiàn)!愛因斯坦不但發(fā)現(xiàn)兩者的聯(lián)系,更意識到可以利用對運動的理解,去解釋引力。

最終,他得出了震驚世界的廣義相對論,并建立了統(tǒng)一引力與加速運動的第二種聯(lián)系:空間和時間的彎曲!當然,這也是他留給世界的謎題,因為至今這套理論尚未完整!最后,大家對于這個理論,怎么看呢?歡迎大家在評論區(qū)留言,我們一起討論!

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