刻度器

万有引力狭义相对论,矛盾究竟在哪爱因斯

发布时间:2023/7/18 15:02:23   
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在狭义相对论中,一个重要的因素就是光速限定的绝对速度。众所周知:这个速度不仅适用于有形的固体,也适用于信号等各种形式的影响作用。因为信号、干扰的传递,不可能大于光速。

比如,我们认知中的声速就小于光速。声音的传播速度是m/s,与m/s的光速相比,简直是微不足道。这两种速度的区别,在雷雨天就会反应得特别明显:我们永远是先看到闪电,后听到雷声,虽然两者是同时发生的。

这一个简单的例子就反映了光速与声速的差别。狭义相对论更是告诉我们:某一个信号比光速先抵达,这一切是不可能发生的,因为光速超过任何物体的速度。

在牛顿的万有引力理论中:A物体作用在B物体的引力,取决于A、B的质量、分开的距离,与相互作用的时间无关。换而言之,物体的质量和距离发生改变,他们的引力也将发生变化。这时,矛盾就来了,小编为大家举个例子:

比如,按照牛顿的理论推断:假如太阳爆炸,距离1.5亿km外的地球会立刻脱离轨道。但在狭义相对论的理论中,光从爆炸的太阳传递到地球需要8分钟左右!但是,万有引力理论认为:太阳爆炸可以通过引力的改变,瞬间作用到地球上。

这个例子上,引力理论得出的结论与狭义相对论产生了矛盾。因为,狭义相对论认为:任何信息传递的速度都小于光速,但引力理论认为这件事可以瞬时传播。

爱因斯坦对于这种情况,他相信自己是正确的。事实上,尽管有数不清的实验支持引力理论,但这个倔强的小老头还是去探寻一种能与狭义相对论相容的引力理论——这就是广义相对论。在广义相对论中,时间、空间的性质又一次经历了惊人的变化。

事实上,在狭义相对论发表前,万有引力理论也隐藏了一个严重的bug。理论中,它精确地预言了物体如何在引力作用下运动,但最终也未能表述什么是引力!换而言之,距离数亿万千米的物体,为什么互相影响?引力是以什么样的方式发生作用的?

对于这点,牛顿解释道:“非生命物体,不以任何其他非物质形式的中介而能无接触地相互发生作用。引力或许是物质生来固有的本性,所以一个物体能通过虚空、超距地作用于另一个物体,而无需其他任何中介作为引力的承载物、传播者。”

显然,牛顿也没有办法从源头解释引力出现的原因,他只是接受引力存在的事实,并建立了描述引力的数学公式。换句话说:牛顿为世界写了一本“万有引力”使用指南,告诉大家如何科学合理地利用引力。

当然,物理学家们遵从书中所写,成功地把火箭送入太空、并发现了行星的运动等等。但牛顿同样也为我们留下了一个永远的谜团:引力到底是怎么一回事?

这就像电脑,大家无须知道内部的工作原理,只知道使用方法便好。但是,机器出现问题后,修理人员就需要知道它的内部运行知识,才可以进行妥善的维修。爱因斯坦正是发现:万有引力理论出现了某些问题,需要“修理”,就需要弄清楚引力的本质。

年的夏天,瑞伯尔尼专利局的办公室里,爱因斯坦正在思考着引力的问题。此时,经历了长达数年的坎坷思考,他终于找到了关键。

这里,小编用一个例子为大家解释:年的某天,爆破专家汤姆接到了紧急在华盛顿发现了一颗像炸弹的东西。经过检查,汤姆发现这是一个小型核武器,威力巨大,即便埋在海底或者地壳下,爆炸也会带来巨大的灾难!

汤姆小心地检查了一下,发现自己没有办法拆除。同时,汤姆还发现:这是一颗重量计时炸弹,计时器的刻度盘已经走过了一半,还有个小时,炸弹就会爆炸。这时,汤姆想到:既然在地球上爆炸不安全,那就把它送到太空上去吧!

在FBI的案情分析会上,汤姆认为:需要把炸弹送上太空,不然会威胁到旁边医院。此时,助手牛顿表示反对:当核弹做火箭远离地球时,引力减小,重量降低。这意味刻度盘的读数会偏小,核武器没出大气层就炸了。医院遭殃,连附近的洛杉矶实验小学都很危险!

这时,另一位助手爱因斯坦说:这可能还有一个更重要的问题!当火箭起飞加速时,刻度盘读数增大,炸弹也会爆炸。因为加速会比静止产生更大的压力(汽车加速时,人的身体会挤压座椅靠背),反而会让炸弹提前爆炸。

汤姆更相信牛顿,于是询问还有没有更好的办法?此时,爱因斯坦又说:牛顿认为:核弹进入太空,地球引力消失,刻度盘读数减小。但是,在我看来火箭上升的加速会挤压刻度盘,让读数增大!因此,如果我们精确调节加速度,是否可以抵消两种情况?

汤姆听完眼前一亮,让爱因斯坦具体说一下,爱表示:在升空时,火箭还能感受到地球的引力,加速度可以小一些。当火箭距地球越来越远时,引力减小,我们可以增大加速度克服引力不足!

上升加速会导致读数增加,但引力消失会导致读数减小!一正一反抵消,我们可以保证读数完全不变!汤姆明白了:“你的意思是向上的加速度可以替代引力。火箭用合理的加速度来模拟引力效应?”爱因斯坦:“你说得对!”于是,汤姆用这个办法避免了一场悲剧。

这一案例正是爱因斯坦在专利局的办公室里想到的。这就是他将加速运动与引力不可分辨的性质称作的等效原理,这一性质在广义相对论中起到了不可分割的作用!我们看到:一切,从狭义相对论开始,到广义相对论结束。

狭义相对论通过相对性原理,建立了不同观察者观点平等的前提条件(物理学定律对匀速运动的观察者是不变的,对于加速运动的观察者是不同的)。年,爱因斯坦将加速运动、匀速运动纳入了统一体系进行描述。

爱因斯坦认为:任何观察者,不论以何种运动状态,都可以认为自己是静止的,其余人是在运动的,只不过是引力场不同罢了。因此,广义相对论通过引力,保证所有观察者的观点都可以被合理解释。

事实上,引力与加速运动的联系是惊人的发现!爱因斯坦不但发现两者的联系,更意识到可以利用对运动的理解,去解释引力。

最终,他得出了震惊世界的广义相对论,并建立了统一引力与加速运动的第二种联系:空间和时间的弯曲!当然,这也是他留给世界的谜题,因为至今这套理论尚未完整!最后,大家对于这个理论,怎么看呢?欢迎大家在评论区留言,我们一起讨论!



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