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闲谈相对论(7)爱因斯坦PK牛顿谁赢了?

发布日期:2022-09-11 12:50    点击次数:138

闲谈相对论(7)爱因斯坦PK牛顿谁赢了?

狭义与广义相对论浅说

阿尔伯特 · 爱因斯坦 著

诸位同学全球好!我是李永乐诚笃。今天是闲谈相对论系列的终末一期。

咱们之前说过:牛顿力学只能惩处速率远远低于光速的情况,一朝物体的速率弥散快,就应该使用狭义相对论。而狭义相对论只能惩处莫得物资、空间是凯旋的情况,一朝因为引力变成了空间周折,就要使用广义相对论。于是有人说:牛顿定律被狭义相对论推翻了,狭义相对论又被广义相对论推翻了。

关于这种倡导,爱因斯坦在他写的小册子《狭义与广义相对论浅谈》中做了一个比方,他说:想计较两个电荷之间的作用劲,不错使用静电学的库仑定律,但是这是在电荷静止不动的情况下。一朝电荷领略起来,应该使用麦克斯韦方程组和电能源学的表面。那么,咱们是否能说电能源学推翻了静电学定律呢?绝非如斯。在电场不随时期变化的时候,电能源学会得出静电学的论断。是以,静电学是一种迥殊概况说极限情况,在新的表面中依然开拓。仅仅,新的表面适用范围更普通了。

是以,物理学的发展是阶段性的。牛顿定律也曾相配精准的叙述了天地运行的规则,然则自后,跟着人们测量的越来越精准,才发现了牛顿定律与履行不相相宜的方位,才需要新的表面把牛顿定律进行拓展。狭义和广义相对论并莫得推翻牛顿定律,而是发展了牛顿定律。

那么,广义相对论到底是不是正确的?照旧那句话:咱们需要合理的假定,更需要实验考据。

考据广义相对论的第一个实验是水星近日点进动景象的解释。

咱们清醒:牛顿定律和万有引力定律即是为了解释行星的椭圆轨道而建议的。联系词,由于行星之间互相作用的影响,水星的轨道并不是样式的椭圆,而是会出现进动景象——椭圆的长轴会跟着时期逐步的旋转。

水星近日点进动景象

1859年,法国天体裁家勒维列计较了水星的进动速率,为100年5600秒,咱们要清醒:圆周角是360度,1度是60分,1分是60秒,5600秒也独一约莫1.5度,100年才变化这样点,水星的进动速率并不快。然则科学家们认死理,非要弄了了这个进动是从那儿来的。凭证牛顿定律计较,琢磨各式天体之间的摄动影响,科学家们不错解释其中的5557秒,还有43秒的分袂无法解释。

许多科学家建议了一些假说,比如也许水星轨道隔邻存在尘埃阻力,太阳不是均匀的,水星轨道里面还有一颗未被发现的回禄星,以至怀疑牛顿万有引力定律不是严格的日常反比定律。但是这些表面都无法完满解释这个分袂。

有人怀疑水星轨道里面还有一颗未被发现的回禄星

直到爱因斯坦建议广义相对论后,他发现:由于水星轨道距离太阳最近,时空被太阳周折的最热烈,是以就变成了水星轨道的进动景象。

太阳隔邻的时空剧烈周折,水星轨道发生进动景象

况且,通过表面计较得出的服从与实质的傍观十足换取。爱因斯坦繁盛的给老友写信说:你清醒我有多景象吗?我繁盛得几个星期睡不着觉。

另一个考据广义相对论得实验是由爱因斯坦预言,由本课伊始,那位爱丁顿爵士完成的。

爱丁顿

他说:假如有人向电梯里面照耀一路明朗,要是电梯不受引力,也不领略,那么明朗该是径直的;但是,要是电梯正在朝上加快领略,明朗联系于电梯就会向下偏折,这是电梯加快度变成的。

爱因斯坦电梯

而凭证等效旨趣:电梯朝上的加快度等效于一个向下的引力场,是以要是电梯莫得加快度,但是处于引力场中,明朗也会向下弯折!引力能让光发生弯折,这即是爱因斯坦的预言。

不外,地球的引力还不够大——要是一束光在大地上领略3000km, 由于引力影响变成的明朗偏折也独一0.5mm,是以爱因斯坦电梯实验没目的在大地上达成。太阳的引力远远比地球雄伟,假如明朗经过太阳隔邻,明朗的偏折就会达到不错傍观的进程。

其实,在爱因斯坦之前,就有人凭证牛顿定律计较出明朗经过太阳隔邻的会发生偏折,仅仅,用牛顿定律计较出的服从独一爱因斯坦的一半。牛顿和爱因斯坦谁对谁错,必须通过实验考据。

于是,最新动态历史上两个最伟大的物理学家卓绝200年的PK初始了!爱因斯坦在1916年写成这本小册子《狭义与广义相对论浅说》时,实验还莫得人做。爱因斯坦明确的给出了实验的智力:测量两颗恒星明朗之间的夹角,然后,跟着地球的自转和公转,找到一个时期,此时太阳刚好位于两条明朗中间。要是太阳的引力果真让明朗发生了偏折,那么此时两条明朗的夹角应该与莫得太阳时不同。由于阳光过于正式,这个实验只能在日全食的时候做。

傍观太阳隔邻明朗的偏折

1919年5月29日,英国天体裁家爱丁顿领傍观队在西非普林西比岛傍观了日全食,拍摄日全食时太阳隔邻的恒星位置。服从发现:在有太阳和莫得太阳时,两颗恒星的明朗夹角收支1.61″,罪恶0.3″以内。

使用牛顿定律,星光夹角应该是0.875″,而凭证爱因斯坦广义相对论计较,这个服从是1.75″。实验十足撑持了爱因斯坦的表面! 这阐扬注解了大质料的天体的引力实在不错让明朗发生偏折,也阐扬注解了广义相对论的正确性,一时期报纸竞相报道,爱因斯坦再一次名震寰宇。

当有人告诉爱因斯坦:“爱丁顿的实考据明了你的表面,你有什么想法?”

爱因斯坦平安的说:“我从莫得想过有其他的可能。”

别人又问:“那万一实验不撑持你的表面,你又会怎么想呢?”

爱因斯坦说:“那我会为天主感到缺憾。不管怎么说,表面总照旧对的。”

你看,爱因斯坦即是这样自信!

考据广义相对论的第三个实验是引力红移景象。广义相对论告诉咱们:在引力势低的方位,时钟会变慢。要是大质料的恒星发光,光从引力势很低的星球名义到达地球时,频率就会变小,发生红移,也即是某种元素发的光的频率会低于大地上雷同元素的频率。

反过来,要是在大地上朝上发一路光,在明朗远隔地球的经由中,频率也会变低,发生红移。概况,你也不错显露成明朗从周折的空间中爬出来,需要滥用一定的能量,是以频率就低了。

爱因斯坦在这本小册子中明确建议了通过引力红移景象,考据广义相对论的想法。1959年,两位科学家庞德和雷布卡,在哈佛大学完成了这个实验。他们在高度h=22.5m的两头,测量出光的频率差,十足相宜广义相对论的臆度。只能惜,这个时候爱因斯坦照旧弃世四年了。

哈佛大学庞德-雷布卡实验地点

在爱因斯坦建议广义相对论之后的100年,人们又做了许许多多的实验来考据广义相对论,比如爱因斯坦的广义相对论导出的一个服从:当星球的质料弥散大,半径弥散小,就会变成光都无法脱逃的黑洞。当两个大质料天体互相围绕对方旋转,天地空间的周折就会像波一样扩散,这即是引力波。人们照旧找到了黑洞和引力波,爱因斯坦又对了。

黑洞

引力波

关于爱因斯坦,庞加莱也曾这样评价:一个年青人在许多方面都有新的想法,咱们不可指望这些想法都是正确的,只消他能在某一个方面有所打破就够了。

可惜庞加莱错了,爱因斯坦险些在他总共开拓性的边界,无论是狭义相对论、广义相对论照旧光的粒子性、激光表面、原子表面,都建议了正确的表面。

闲谈相对论的内容,咱们今天就讲到这里了。要是你对相对论感兴味,我保举你去读读爱因斯坦的小册子《狭义与广义相对论浅说》,你会发现爱因斯坦艰深的思惟,比我讲的要精彩太多。它能让你以为你不是在读一册物理书,而是在阅读一册逻辑和形而上学文章,它教你看待世界,但是并不免强你接收他的倡导,循循善诱,又发人沉吟。我把这本书保举给每一位深爱科学、心爱思考的老友。

终末,我想援用爱因斯坦的话动作送给诸位同学的祝颂:1955年,在爱因斯坦弃世前几个月,《活命》杂志记者威廉·米勒带着我方的男儿,在爱因斯坦的家里采访了他。当米勒的男儿向爱因斯坦求教后生人该怎么活命时,爱因斯坦说:不要竭力做一个收效的人,而要竭力做一个有价值的人。收效的人会收货许多,而有价值的人会赐与别人更多。

END



 




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