時政漫談

Franklinyanger 是一位教師。喜愛文學,古典詩詞,國學經典,事時政論.
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大眾廣義相對論(用實例淺說廣義相對論)

(2013-11-08 20:08:40) 下一個
大眾廣義相對論
 用實例淺說廣義相對論




很多人以為,要弄懂廣義相對論,必須懂得很多高深數學和物理,例如微分幾何,張

量分析等嚇人的科目。其實,隻要用心思考,一般人也可以領會其基本意義。下麵,我試

圖用例子來簡述廣義相對論的基本意義。

大家都知道,人坐在太空船,在遠離地球的宇宙空間航行,會產生失重現象。現在設

想有一架十分大型的太空船,裡麵有一間四十平方米的房間,其中有三米高的天花板,

地板,桌子,椅子,大床,總之,一切設置如地球上的房間。宇航員就住在這樣的房間

裡。當時這個太空船正沿著從地板指向天花板的方向,以9.8米/秒*秒的恒定加速度前進

(9.8米/秒*秒 是地球表麵重力加速度數值,是最常用的物理常數)。儘管當時太空船

遠離地球,遠離任何引力場,宇航員的感覺和生活與地球家裡的感覺和生活完全一模一

樣,沒有一點失重的感覺存在。為什麼?因為人們生活在地球上,根據牛頓萬有引力定

律,總是受到(質量X9.8米/秒*秒)重力的吸引,而這艘太空船雖然遠離引力場,但有

9.8米/秒*秒的加速度作用於地板(沿著從地板指向天花板的方向),這就相當於人站在

地球上。這就是愛恩斯坦廣義相對論的“等效原理”(equivalence principle)!

假設有一位工藝十分精湛的技師,來到一個質量等於地球十倍,半徑和地球差不多的

行星上。這位技師用該行星大量出產的大塊金剛石,運用最精密的光學儀器,和最先進的

切削和打磨工具,造成一塊他認為最平滑的金剛石檯麵,然後把這檯麵運回地球。地球人

會發現這塊在外行星看來是絕對平滑的檯麵,來到地球後,成了彎曲的!為什麼?因為這

個行星表麵引力場比地球表麵的引力場強大得多。而人們看東西是沿著光線去看的。光線
受引力場作用變成彎曲,雖然光線是曲的,但人感覺是直的。當回到地球後,金剛石檯麵

的外形和物理性質並無改變,而光線在地球表麵沒有在外行星那麼彎曲,所以在地球上,

這檯麵看起來和實際上用工具測量,是彎曲的。 這就是愛恩斯坦廣義相對論的「引力場

使時空彎曲」的原理,及光線在強引力場下彎曲的原理。

設想某種外力或內力把太陽這個龐然大物,壓縮成直徑隻有幾公裏的球體。這個球體

表麵的引力場極其強大,強大到它內部及表麵附近的任何光線和射線都不能夠逃離。為甚

麼?由於萬有引力的存在,任何物體要脫離星球必須達到一定的逃逸速度。例如地球上的

任何物體要離開地球進入宇宙空間,就必須達到11.2公裏/秒的速度。因為黑洞的引力場極之強大,經計算,其逃逸速度超過光速(三十萬公裏/秒),因此,任何光線和射線都

不能夠逃離。人們在遠處不能看見或用儀器直接觀察測量黑洞,隻能從黑洞對周圍天體的作用去發現它。在黑洞鄰近的任何物體,無論大小,甚至大如星球這樣的龐然大物,也將掉進黑洞這個萬劫不複的深淵。這就是愛恩斯坦廣義相對論預言的「黑洞」,現在已經被天文學的發現完全證實!
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