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广义相对论告诉我们，引力不是一种力，而是时空的弯曲, 阿尔伯特.爱因斯坦是20世纪最重要的科学家之 一，被誉为“现代物理学之父”，而他最伟大的贡献便是相对论。这一理论永远改变了我们对空间和时间的理解。 相对论是什么?简而言之，相对论的概念意味着物理定律在任何地方都是相同的。 我们在地球上遵循的光和引力定律，与宇宙遥远角 落里的外星人一--如果存在的话一一也是一样的。 物理学的普遍性意味着历史是偏狭的，不同的观察者会看到不同的时间和事件间隔，在我们看来百万年的时间，对于乘坐高速火箭飞行或坠入黑洞的人来说可能只是一眨眼的功夫。一切都是相对的。 狭义相对论 爱因斯坦的理论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论首先提出，其基础是光速在任何参考系下都是恒定不变的,这看起来很简单，但却有着深远的影响。 爱因斯坦是在1905年得出这个结论的,当时的实验证据表明，当地球绕着太阳旋转时,光速并没有发生变化，这一结果令物理学家感到惊讶,因为其他大多数物体的速度取决于观察者移动的方向， 如果你把车开在铁轨旁边,迎面驶来的火车似乎比与你同向而行的火车要快得多。 爱因斯坦提出,所有观察者所测量的光速都将是每秒30万千米,无论观察者移动得有多快，方向如何。这一论点促使喜剧演员斯蒂芬，赖特问道:“如果你在一 艘以光速飞行的宇宙飞船里， 打开车头灯,会发生什么?” 答案是，从飞船里某个人的角度来看,车头灯是正常开着的;但对于站在外面看着飞船飞过的人来说，车头灯似乎并没有打开:光出来了,但它的速度与宇宙飞船相同。 之所以会看到这样相互矛盾的结果，原因在于对不同的观察者来说,标记空间和时间的标尺和时钟是不一样的。如果光速像爱因斯坦说的那样保持恒定,那么时间和空间就不可能是绝对的;它们必须是主观的。 例如，如果-艘100米长的宇宙飞船以99.99%的光速飞行,对于静止的观察者来说，它的长度为1米，但对于飞船上的人来说，它的长度是正常的。 也许更奇怪的是,一个人移动的速度越快,其时间就过得越慢。如果双胞胎姐妹中的姐姐乘坐宇宙飞船前往遥远的星球，当她回来时, 她将比留在地球上的妹妹还年轻。 质量同样取决于速度。 物体运动得越快,质量就越大。事实上，没有一艘宇宙飞船能达到100%的光速，因为它的质量会增长到无穷大。质量和速度之间的关系通常表示为质量和能量之间的关系: E=mc^2,其中E是能量, m是质量, c是光速。广义相对论 爱因斯坦进一步挑战我们对时间和空间的理解, 他通过引入加速度来扩展相对论理论，发现这会导致时间和空间的扭曲。 还是用上面的例子:想象宇宙飞船通过点燃推进器来加速，飞船上的人会像在地球上一样稳稳地站在地板.上，爱因斯坦提出,我们所说的重力与在一艘加速飞船上感受到的力是无法区分的。 这本身并不是革命性的观点,但当爱因斯坦计算出复杂的数学公式(他花了10年的时间)之后，他发现空间和时间在一个质量巨大的物体附近是弯曲的,而这种弯曲就是我们所体验到的引力。 很难描绘出广义相对论的曲线几何，但如果把时空想象成一-种结构，那么一个质量巨大的物体就会拉伸周围的结构，使得任何经过其附近的物体都不再沿着直线运动。 广义相对论方程预测了许多现象，其中很多已经得:到证实: 大质量物体周围光线的弯曲(引力透镜效应)水星轨道的缓慢演变(近日点进动)旋转物体周围时空的参考系拖拽 光远离引力场源时频率降低(引力红移) 由宇宙碰撞引起的引力波(时空结构中的涟漪)黑洞的存在(可以捕获包括光在内的一切) 黑洞周围时空的扭曲比其他任何地方都要强烈。前面提到的双胞胎姐姐如果坠入黑洞，她会像意大利面一样被拉长,幸运的是, -切在几秒钟内就会结束，但是她在地球.上的妹妹永远不会看到这一 切的结束,而是会看着她可怜的姐姐在无穷无尽的时间里一点点地向黑洞靠近。 现实生活中与相对论有关的现象 我们不需要一 艘以接近光速飞行的宇宙飞船才能看到相对论的效应,事实上,在日常生活中就可以看到相对论的一 些例子,我们今天使用的许多技术也证明爱因斯坦是正确的。电磁铁 磁力是一种相对论效应。你之所以能享受电力带来的方便生活，需要感谢相对论,因为相对论让发电机可以工作。 如果你将 圈导线穿过磁场,就会产生电流,导线中的带电粒子受到不断变化的磁场的影响，导致其中-些带电粒子移动并产生电流，。但是，想象一下导.线静止,磁铁运动的情况,此时导线中的带电粒子(电子和质子)不再运动,因此不应该受到磁场的影响，但磁场的影响确实存在,而且仍然有电流,这表明并不存在绝对的参考系。 加州克莱蒙特波莫纳学院的物理学教授托马斯.摩尔利用相对论原理,证明了法拉第定律的正确性。法拉第定律认为,不断变化的磁场会产生电流,摩尔说:“这是变压器和发电机的核心原理,因此任何用电的人都体验着相对论的影响。电磁铁也通过相对论起作用。 当直流电通过导线时，电子就在导线中流动，通常情况下，导线看起来是电中性的，没有净正电荷或负电荷，这是因为质子（正电荷）和电子（负电荷）的数量相同，但是，如果你在它旁边放另一根带直流电的导线，二者就会相互吸引或排斥，这取决于电流的方向。 假设电流沿同一方向运动，第一根导线上的电子相对第二根导线上的电子是静止的（假设电流的强度大致相同），与此同时，从电子的角度来看，两根导线中的质子都在运动。由于相对论的长度收缩效应，质子之间的距离也似乎更近，因此导线单位长度中的正电荷比负电荷多，由于同性电荷相斥，这两根导线也会相斥。 相反方向的电流则会使两根导线相互吸引，因为从第一根导线的角度看，另一根导线上的电子更密集，产生净负电荷，与此同时，第一根导线中的质子产生净正电荷，相反的电荷相互吸引。 下一部分讲的是关于GPS的。 |
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