打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
简述相对论发展史:从伽利略到引力波
目录
伽利略和牛顿
电磁学
神秘的“以太”
狭义相对论
广义相对论
爱丁顿实验
宇宙膨胀
黑洞、引力透镜、引力波
在物理学的历史上,有几位学者、理论和方程的名字已经家喻户晓。其中最广为人知的是阿尔伯特·爱因斯坦、相对论和著名的方程E=mc²。事实上,相对论可能是最著名的科学理论,它分为两部分:狭义相对论(SR)和广义相对论(GR)。
伽利略和牛顿
相对论的故事可以追溯到17世纪著名的意大利天文学家和博学家伽利略·加利利的工作。1632年,伽利略出版了《关于两个主要世界体系的对话》。在这项工作中,伽利略用简单的术语解释了宇宙的日心说模型。除此之外,伽利略还解释了为什么地球表面的人看不到地球的运动。
为了保持他用简单的逻辑表达复杂思想的能力,伽利略用海上的船进行了比喻。如果站在甲板上的一个人让球做自由落体,他将看到球直线下落。但是,对于岸上的观察者来说就不一样了,由于船在运动,他将看到球沿着抛物线运动。这就是众所周知的伽利略相对论(又称伽利略不变量),它可以归结为一个简单的假设:“任何两个观测者相对于对方以恒定的速度和方向运动,在所有的力学实验中都会得到相同的结果。”
到1687年,艾萨克·牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》彻底改变了我们对物理学的理解。在这本书中,牛顿综合了伽利略的运动理论和他对万有引力的研究,并总结了他的运动三定律:除非受到外力的作用,否则物体将继续保持静止或匀速直线运动;受力作用的物体以这样一种方式运动,即动量的时间变化率等于力;如果两个物体相互施力,这些力大小相等,方向相反。
这三条定律为牛顿的万有引力理论奠定了基础。万有引力理论认为,所有具有质量的点源都通过万有引力相互吸引,力与两个物体的质量直接相关,且与两个物体中心距离的平方成反比。简而言之,牛顿认为,导致苹果从树上掉下来的力,也会导致行星围绕太阳运行,月球围绕地球运行,以及太阳系中所有其他的轨道力学。
牛顿普适性的一个结果是,科学家从此将空间和时间看作是固定而独立的参照系。基本上,一个物体的位置和运动可以用空间上的三个维度和时间上的一个维度来描述,这种理解宇宙的框架将成为未来200年的经典。牛顿的理论是如此的有影响力,以至于经典物理和牛顿力学的术语可以互换使用。
到了19世纪中后期,天文学、电磁学和粒子理论领域的新发现使这些传统观念大受冲击。
电磁学
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和亨德里克·洛伦兹的理论工作确立了电场和磁场对点电荷的作用力。这些都总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律中,它们描述了电荷、电流和场的变化如何产生电场和磁场。这些原理构成了经典电磁学、光学和电路的基础。
19世纪中叶,科学家们在光学和电磁现象的研究上取得了多项突破。这使人们认识到光是一种电磁辐射,它的特性类似于电流的传播。此外,此时进行的实验获得了高度精确的光速估计。不幸的是,这些实验也提出了经典力学的理论问题。在所有情况下,无论光源是否相对于观察者移动,测量到的光速都是恒定的,这与经典力学和伽利略相对论的基本原理相矛盾。
神秘的“以太”
因此,科学家们在19世纪就开始假设,太空中一定充满了某种看不见的“以太”。他们认为,这种介质允许光在空间中传播。整个19世纪进行的实验不断表明,光速是恒定的。为了用实验结果来解决这些理论问题,科学家们需要测量这种以太的影响,以确定它的性质。这就要求科学家们证明,测量到的光的速度是它在“介质中的速度”与“介质的速度”的简单总和。
在这些实验中,迈克尔逊和莫雷进行的试验最出名。利用一个腔室和一系列镜子,他们试图从不同的角度测量光的速度:一个对应于地球向太阳旋转的水平角度和一个垂直角度。如果存在这样一种“以太”,那么两个角度的光速将有显著差异。但是实验给出了出乎意料的结果,测量的光束速度之间没有可观测到的差别。
狭义相对论
1905年,爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》,爱因斯坦在这本书中提出了后来被称为狭义相对论(SR)的理论,它包含了两个假设:物理定律在所有非加速惯性参考系中都是相同的;无论观察者或光源的运动如何,真空中的光速是恒定的。
爱因斯坦突破的一个关键方面是洛伦兹变换,为了简单说明,他也举了一个例子。在火车地板和天花板各有一个镜子,光线在其中来回反射。对于火车中的人来说,他们观察到光是竖直的;但是对于地面人员来说,他们观察到光是锯齿形的。由于光速相对于两个观察者来说是相同的,但由于光的轨迹在他们看来是不同的,因此他们会经历不同的相对论效应,例如尺缩效应、时间膨胀等。
对于低速运动来说,这种区别非常小,难以产生可测量的差异。但当物体的速度越来越接近光速时,这种效应就会增强。此外,爱因斯坦还推导出了只能方程,在这个等式中质量和能量是可以相互转换的。
SR的另一个结果是,它将空间和时间解释为同一现实的两种表达。牛顿物理学把空间和时间看作是分开的和固定的,而爱因斯坦提出了一个由三维空间和一维时间组成的四维几何。
广义相对论
在1905年到1915年之间,爱因斯坦试图通过扩展SR来解释引力,这在很大程度上是由于牛顿的万有引力所产生的理论问题。此前,天文学家发现牛顿的方程可以解释当时已知的大多数太阳天体的轨道。然而,水星的轨道呈现出牛顿方程无法解释的长期特性。除了有一个高度偏心的轨道,水星的近日点也随着时间的推移围绕太阳运动,这被称为“近日点进动”。
1915年11月,爱因斯坦向德国柏林的普鲁士科学院提交了他的场方程。这些方程说明了时空的四维几何如何受到引力场和辐射的影响。用约翰·惠勒的话说,“时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。”由此,爱因斯坦的广义相对论(GR)正式诞生,并很快成为我们现代物理学理解的基础。
爱因斯坦的广义相对论成功解决了水星近日点进动的问题,并且还有几个重要的理论预测,其中光线弯曲在1919年得到了验证。
爱丁顿实验
爱丁顿实验寻找在日食期间经过太阳背后的恒星。如果爱因斯坦的理论是正确的,那么来自这些恒星的光将会沿着由太阳引力引起的时空曲率轨迹运动。对观测者来说,这种效应会让它们看起来就像恒星本身就在太阳旁边。由于太阳光被月球有效地遮挡住了,所以他们的仪器就可以看到这些光线了。
科研团队不仅看到了这些恒星,而且它们在夜空中的位置与爱因斯坦场方程预测的位置完全一致。这个故事立刻被世界各地的报纸转载并刊登在头版,使爱因斯坦和广义相对论轰动一时!然而,这只是众多测试和预测中的一个。
宇宙膨胀
1917年,爱因斯坦试图用GR创建一个宇宙结构的模型。令他沮丧的是,他发现在宇宙尺度上,他的场方程预测宇宙要么处于膨胀状态,要么处于收缩状态。为了防止星系团和宇宙的大尺度结构自身坍缩,需要有某种东西在最大尺度上抵消引力。由于他更喜欢永恒不变的宇宙,爱因斯坦引入了一个新的概念。
这就是所谓的宇宙常数,用场方程中的数学符号Lambda来表示。他大胆地说,这种力负责“抑制引力”,并确保宇宙的物质能量密度随时间保持不变。这样做,爱因斯坦发现自己陷入了稳态假说和宇宙大爆炸理论之间的争论中。
1922年,俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼用数学方法展示了爱因斯坦的场方程是如何与动态宇宙相一致的(弗里德曼方程)。紧随其后,在1927年,比利时天体物理学家乔治·勒梅特证明GR和膨胀的宇宙符合天文观测,特别是美国天文学家埃德温·哈勃的观测。
1931年,爱因斯坦在威尔逊山天文台拜访了哈勃,在那里他目睹了星系是如何从银河系中退去的。作为对哈勃展示给他的东西的回应,爱因斯坦正式宣布将从他的理论中去掉宇宙常数,并声称这是“我职业生涯中最大的错误”。然而,整个20世纪90年代的观测表明,宇宙膨胀正在加速,这使得天体物理学家推断,有一种神秘的力量抵消了引力,我们把这种力量称为暗能量。
黑洞、引力透镜和引力波
1915年,就在爱因斯坦公布GR的几个月后,德国物理学家兼天文学家卡尔·史瓦西找到了爱因斯坦场方程的一个解,该解预测了黑洞的存在。
GR 预测的另一个影响是引力场如何弯曲和聚焦来自更远光源的光。这被称为引力透镜,其中一个特别大的物体充当“透镜”来放大它之外(或后面)的光。
GR的另一个预测是引力对时空的涟漪效应。当两个特别大的物体合并并以引力波的形式释放出巨大的能量时,这种现象就会发生。LIGO天文台于2016年首次确认探测到这些波,大约在爱因斯坦首次预测它们的一个世纪之后。
本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
爱因斯坦的相对论是什么?
相对论数学原理(一),为什么首先要解决数学问题
宇宙可以用方程描述吗?
相对论梗概(随笔 2016
再谈引力波
为何物理学近百年来都无重大突破?下一位爱因斯坦何时出现?
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服