【摘? 要】相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一,是研究關(guān)于時(shí)空和引力的理論,它的提出給現(xiàn)代物理學(xué)帶來(lái)? ? 了革命性的變化。本文就以廣義相對(duì)論的等效原理為切口,作出猜想與假設(shè)。
【關(guān)鍵詞】廣義相對(duì)論;原理;猜想
廣義相對(duì)論是近代物理學(xué)上的一個(gè)大奇跡,廣義相對(duì)論有兩大基本假設(shè),第一為廣義協(xié)變?cè)?,也叫廣義相對(duì)性原理。第二假設(shè)就是今天探討的主要內(nèi)容,等效原理。
那么什么是等效原理呢,等效原理說(shuō)的是慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)局部不可辨,即我們?cè)谌粘I钪?,在地球的引力?chǎng)中感受到的重力效果,某種意義上與物體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力是等效的。
舉例,當(dāng)一個(gè)人站在地球表面時(shí),會(huì)受到地球引力場(chǎng)的影響,產(chǎn)生一個(gè)方向指向地心的重力加速度,大小為9.8米每平方秒。假設(shè)在宇宙空間中乘坐一艘飛船,此時(shí)飛船以9.8米每平方秒的加速度向上作加速運(yùn)動(dòng),那么在飛船中的你將會(huì)感受到一個(gè)慣性力,其效果與在地球表面上感受到的重力加速度等效,因此假設(shè)引力場(chǎng)中感受到的重力效果與物體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力等效,這便是愛(ài)因斯坦的等效原理。
那么此時(shí)我們作一個(gè)更加激進(jìn)的假設(shè),飛船作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力與地球引力場(chǎng)中的重力效果不僅僅只是等效的,而是完全等同等原理的,在此前提下作出猜想。
已知飛船之上,之所以會(huì)產(chǎn)生“引力”是由于飛船在相對(duì)于空間作方向向上的加速運(yùn)動(dòng)造成的。那么假設(shè)引力與慣性力完全是相同原理,則可以大膽推測(cè),我們站在地球表面的時(shí)候,之所以會(huì)感受到“慣性力”也應(yīng)當(dāng)是由于我們?cè)诘厍虮砻鏁r(shí)相對(duì)于空間作向上的加速運(yùn)動(dòng)造成的,且在地表的我們相對(duì)于空間的加速大小的就是重力加速度的大小。
此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn),我們?cè)诘乇淼臅r(shí)候并未有任何速度的變換,卻又怎么能說(shuō)在作一個(gè)向著空間的加速運(yùn)動(dòng)呢?
這是因?yàn)槲覀儍H僅只是相對(duì)于地球靜止而已,運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,既然我們?cè)诘乇硪呀?jīng)有了一個(gè)“慣性力”那么我們就一定是在向著空間作加速運(yùn)動(dòng),之所以感受不到,原因與在宇宙飛船中的呆在一個(gè)密閉房間里分不清我們是在飛船中還是在地球表面的原因相同,是因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接觀察到空間的運(yùn)動(dòng)。
因此可以作出大膽假設(shè),地球周邊的空間并不是靜止的,由于空間受到地球質(zhì)量的影響,向著地球方向作加速運(yùn)動(dòng)的。地球就像一個(gè)空間聚集器一樣,在宇宙空間中,不斷的吞噬著地球周邊的空間,致使地球周?chē)目臻g場(chǎng)向著地球方向作加速運(yùn)動(dòng)。因此我們?cè)诘厍虮砻鏁r(shí),空間場(chǎng)不斷的從我們身上加速流過(guò),指向地球質(zhì)心。由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,則等同于地表上的所有人與物體相對(duì)著空間作一個(gè)方向指向天空的加速運(yùn)動(dòng)。
這里就要將牛頓第二定律,當(dāng)一個(gè)物體不遭受外力的影響時(shí),其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變,將其拓展到相對(duì)于空間場(chǎng)。站在地表的我們,既然是相對(duì)于空間場(chǎng)作加速運(yùn)動(dòng),那么就需要一個(gè)額外的力提供給我們,而這個(gè)力就是站在地表之時(shí),地表給與我們的支撐力。此時(shí)相對(duì)于空間場(chǎng),在地球表面的我們由于受到地表給予的支撐力,因此相對(duì)于空間場(chǎng)作與支撐力方向相同的加速運(yùn)動(dòng),因此在地球表面,所有的物體都會(huì)感受到一個(gè)被稱(chēng)之為重力的“慣性力”。而當(dāng)一個(gè)物體在地球上空作自由落體運(yùn)動(dòng)的失重狀態(tài)時(shí),由于沒(méi)有地表給予的支撐力,在忽略空氣阻力的理想情況下,其相對(duì)于空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不變的,因此當(dāng)空間場(chǎng)相對(duì)地球質(zhì)心作加速運(yùn)動(dòng)時(shí),該物體也隨著空間場(chǎng)向著地球質(zhì)心作一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),而這個(gè)現(xiàn)象被我們稱(chēng)之為引力效應(yīng)。由此我們也可以很容得出,引力是不存在的一個(gè)力,引力場(chǎng)是由于參照系相對(duì)于空間作變速運(yùn)動(dòng)造成的現(xiàn)象。
那么引力場(chǎng)產(chǎn)生的重力與慣性力完全相同么?答案卻又是否定的,雖然重力與慣性力性質(zhì)可以完全相同,都是由于相對(duì)空間場(chǎng)作變速運(yùn)動(dòng)造成的。以地球?yàn)槔?,在地球表面上感受到的重力時(shí),雖然空間相對(duì)于地表的人或物作加速運(yùn)動(dòng),但在地表上的人和物相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與速度是不隨著時(shí)間的變化而變化的。而在宇宙空間中乘坐一艘飛船時(shí),飛船加速時(shí)產(chǎn)生與地球相同的“重力”時(shí),飛船與飛船上的人和物相對(duì)于空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)速度是隨著時(shí)間而變化的,這就是慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)最大的區(qū)別。
這個(gè)時(shí)候再來(lái)討論廣義相對(duì)論的另外一條假設(shè),就是廣義協(xié)變性原理。在廣義相對(duì)論的猜想中,相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同參考系之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是平權(quán)的,即參考系平權(quán)關(guān)系。但此時(shí)若加入了空間場(chǎng)的概念,尤其還是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)。那么相互運(yùn)動(dòng)的參考系之間的平權(quán)關(guān)系就不存在了,所有物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),都需要以所處空間場(chǎng)作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系,參考系相對(duì)于空間運(yùn)動(dòng)速度的大小影響著該參考系的時(shí)間流逝速度的快慢,且參考系相對(duì)于空間運(yùn)動(dòng)速度的變化大小(加速度大?。?,則相對(duì)著該參考系中重力加速度的大小,這點(diǎn)從很多方面可以得出來(lái)的。
首先討論雙生子佯謬,根據(jù)愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論,時(shí)間的流動(dòng)速度與物體的相對(duì)速度有關(guān)。因此假設(shè)地球之上有一對(duì)雙生兄弟,其中一人跨上宇宙飛船作接近光速的長(zhǎng)程太空旅行,而另外一個(gè)則留在地球,結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球之后,發(fā)現(xiàn)他比留在地球的兄弟更加年輕。但由于參考系之間的平權(quán)關(guān)系,且參考系之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是相對(duì)的,因此,若以旅行者作為參考系之時(shí),將會(huì)得到一個(gè)完全不同結(jié)果。因?yàn)樵诼眯姓呖磥?lái),他的兄弟在地球相對(duì)于飛船也在以接近光速相對(duì)著飛船作運(yùn)動(dòng),因此留在地球的兄弟應(yīng)該更年輕才對(duì)。而最終給予的答案卻是不管以誰(shuí)為參考系,在飛船上的旅行者一定更年輕,因?yàn)楠M義相對(duì)論只適用于勻速參考系,而飛船要飛回地球作對(duì)比需要經(jīng)歷加速與減速的過(guò)程,因此不適用于狹義相對(duì)論,經(jīng)歷更復(fù)雜的計(jì)算得出這個(gè)結(jié)果,個(gè)人最終依然有些難以接受。
但若是加入了運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)概念,這個(gè)猜想就很容易得到解釋?zhuān)此袇⒖枷档倪\(yùn)動(dòng)都要相對(duì)于所處的空間場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)參考系,相對(duì)于所處的空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度的快慢,影響著時(shí)間的流逝速度快慢。相對(duì)著空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變,則必然存在“慣性力”或者說(shuō)產(chǎn)生引力場(chǎng)效應(yīng)。
因此,當(dāng)旅行者以接近光速離開(kāi)地球旅行,則要考慮到其接近光速必須是相對(duì)于空間場(chǎng),而不是地球,再計(jì)算考慮地球上的兄弟相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度與狀態(tài),作出對(duì)比。地球上的兄弟相對(duì)于空間場(chǎng)運(yùn)動(dòng)對(duì)比光速運(yùn)動(dòng)速度更低,則時(shí)間流速更快。飛船中的旅行著一直相對(duì)空間場(chǎng)速度更高,則時(shí)間流逝速度更快慢,因此當(dāng)旅行者回到地球?qū)?huì)更年輕。
那么現(xiàn)在根據(jù)實(shí)際的一些實(shí)驗(yàn)效果討論,1971年美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行的原子鐘飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,飛機(jī)繞赤道向東飛行一圈時(shí)間比地面慢大約59納秒,向西方向繞行者時(shí)間流逝速度比地面快了273納秒左右。科學(xué)家由此進(jìn)一步驗(yàn)證了狹義相對(duì)論的時(shí)間流速問(wèn)題。
但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了一個(gè)結(jié)果,那就是參考系不平權(quán)問(wèn)題,根據(jù)查詢(xún)到的計(jì)算方式,很容易得出,科學(xué)家在計(jì)算速度與時(shí)間的關(guān)系,采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考系,那就是以地球質(zhì)心作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算參考系。若以不同的參考系,則計(jì)算結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)很大不同,例如以地表上的時(shí)鐘,或者以飛機(jī)上的時(shí)鐘作為參考系,那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果都將是混亂而不符合的。因此驗(yàn)證了參考系必須不平權(quán),所有參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度必然有一個(gè)共同參考系,那就是參考系所處空間場(chǎng)。
再來(lái)對(duì)引力造成的時(shí)間膨脹現(xiàn)象來(lái)舉例子,根據(jù)現(xiàn)在用的GPS導(dǎo)航系統(tǒng),驗(yàn)證了在地球高空的時(shí)間流動(dòng)速度比地表更快。這是由于地球周?chē)目臻g是向著地球加速運(yùn)動(dòng)的。因此在地球的引力場(chǎng)中,越是接近地表位置相對(duì)于空間的運(yùn)動(dòng)速度越快,時(shí)間流逝速度越慢。因此,可以不存在引力造成的時(shí)間膨脹效應(yīng),GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道之所以時(shí)間流逝速度更快,也僅僅是由于速度造成的時(shí)間膨脹效應(yīng),對(duì)比地球表面,GPS衛(wèi)星相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度更慢。
那么運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)到底是什么呢,我們科學(xué)有觀測(cè)或者提出類(lèi)似的物質(zhì)嗎?答案是有的,那就是暗能量。首先我們來(lái)了解一下什么是暗能量 。暗能量是科學(xué)家為了解釋宇宙膨脹的事實(shí),所提出來(lái)的一種物質(zhì),目前未被直接觀測(cè)到。但在科學(xué)家的預(yù)言中暗能量不會(huì)吸收反射或者輻射光,充溢著整個(gè)空間,具有負(fù)壓強(qiáng)的能量,那么現(xiàn)在將暗能量的性質(zhì)代入空間場(chǎng)。
引力的產(chǎn)生是由于宇宙之中充斥遍布著暗能量,暗能量具備負(fù)壓,有質(zhì)量的物質(zhì),會(huì)通過(guò)某種規(guī)律,吸附暗能量。越多的物質(zhì)會(huì)吸附越多的暗能量,物質(zhì)吸附暗能量的量與物質(zhì)的量是正比關(guān)系。當(dāng)暗能量被物質(zhì)吸附,就會(huì)形成暗能量低壓的地區(qū)。由于暗能量之間具有負(fù)壓,附近的暗能量就會(huì)流向低壓地區(qū),補(bǔ)充被吸附所缺失的暗能量。且由于星體在空間中的圓球體結(jié)構(gòu),暗能量必然是加速向星體運(yùn)動(dòng)的。這就直接對(duì)應(yīng)了開(kāi)頭提到的,物質(zhì)吞噬空間場(chǎng)的概念。因此暗能量的負(fù)壓不僅僅是造成宇宙膨脹的動(dòng)力來(lái)源,同時(shí)也應(yīng)該是引力產(chǎn)生的來(lái)源,宇宙膨脹的斥力與引力本質(zhì)相同。
作者簡(jiǎn)介:黃歡(1990.02-),男,福建福清人,福建福清,350309,科普愛(ài)好者。