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目錄 伽利略和牛頓 電磁學(xué) 神秘的“以太” 狹義相對論 廣義相對論 愛丁頓實驗 宇宙膨脹 黑洞、引力透鏡、引力波 在物理學(xué)的歷史上，有幾位學(xué)者、理論和方程的名字已經(jīng)家喻戶曉。其中最廣為人知的是阿爾伯特·愛因斯坦、相對論和著名的方程E=mc2。事實上，相對論可能是最著名的科學(xué)理論，它分為兩部分：狹義相對論(SR)和廣義相對論(GR)。 伽利略和牛頓 相對論的故事可以追溯到17世紀著名的意大利天文學(xué)家和博學(xué)家伽利略·加利利的工作。1632年，伽利略出版了《關(guān)于兩個主要世界體系的對話》。在這項工作中，伽利略用簡單的術(shù)語解釋了宇宙的日心說模型。除此之外，伽利略還解釋了為什么地球表面的人看不到地球的運動。 為了保持他用簡單的邏輯表達復(fù)雜思想的能力，伽利略用海上的船進行了比喻。如果站在甲板上的一個人讓球做自由落體，他將看到球直線下落。但是，對于岸上的觀察者來說就不一樣了，由于船在運動，他將看到球沿著拋物線運動。這就是眾所周知的伽利略相對論(又稱伽利略不變量)，它可以歸結(jié)為一個簡單的假設(shè)：“任何兩個觀測者相對于對方以恒定的速度和方向運動，在所有的力學(xué)實驗中都會得到相同的結(jié)果?！?/div> 到1687年，艾薩克·牛頓的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》徹底改變了我們對物理學(xué)的理解。在這本書中，牛頓綜合了伽利略的運動理論和他對萬有引力的研究，并總結(jié)了他的運動三定律：除非受到外力的作用，否則物體將繼續(xù)保持靜止或勻速直線運動；受力作用的物體以這樣一種方式運動，即動量的時間變化率等于力；如果兩個物體相互施力，這些力大小相等，方向相反。 這三條定律為牛頓的萬有引力理論奠定了基礎(chǔ)。萬有引力理論認為，所有具有質(zhì)量的點源都通過萬有引力相互吸引，力與兩個物體的質(zhì)量直接相關(guān)，且與兩個物體中心距離的平方成反比。簡而言之，牛頓認為，導(dǎo)致蘋果從樹上掉下來的力，也會導(dǎo)致行星圍繞太陽運行，月球圍繞地球運行，以及太陽系中所有其他的軌道力學(xué)。 牛頓普適性的一個結(jié)果是，科學(xué)家從此將空間和時間看作是固定而獨立的參照系?；旧?，一個物體的位置和運動可以用空間上的三個維度和時間上的一個維度來描述，這種理解宇宙的框架將成為未來200年的經(jīng)典。牛頓的理論是如此的有影響力，以至于經(jīng)典物理和牛頓力學(xué)的術(shù)語可以互換使用。 到了19世紀中后期，天文學(xué)、電磁學(xué)和粒子理論領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)使這些傳統(tǒng)觀念大受沖擊。 電磁學(xué) 詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和亨德里克·洛倫茲的理論工作確立了電場和磁場對點電荷的作用力。這些都總結(jié)在麥克斯韋方程組和洛倫茲力定律中，它們描述了電荷、電流和場的變化如何產(chǎn)生電場和磁場。這些原理構(gòu)成了經(jīng)典電磁學(xué)、光學(xué)和電路的基礎(chǔ)。 19世紀中葉，科學(xué)家們在光學(xué)和電磁現(xiàn)象的研究上取得了多項突破。這使人們認識到光是一種電磁輻射，它的特性類似于電流的傳播。此外，此時進行的實驗獲得了高度精確的光速估計。不幸的是，這些實驗也提出了經(jīng)典力學(xué)的理論問題。在所有情況下，無論光源是否相對于觀察者移動，測量到的光速都是恒定的，這與經(jīng)典力學(xué)和伽利略相對論的基本原理相矛盾。 神秘的“以太” 因此，科學(xué)家們在19世紀就開始假設(shè)，太空中一定充滿了某種看不見的“以太”。他們認為，這種介質(zhì)允許光在空間中傳播。整個19世紀進行的實驗不斷表明，光速是恒定的。為了用實驗結(jié)果來解決這些理論問題，科學(xué)家們需要測量這種以太的影響，以確定它的性質(zhì)。這就要求科學(xué)家們證明，測量到的光的速度是它在“介質(zhì)中的速度”與“介質(zhì)的速度”的簡單總和。 在這些實驗中，邁克爾遜和莫雷進行的試驗最出名。利用一個腔室和一系列鏡子，他們試圖從不同的角度測量光的速度：一個對應(yīng)于地球向太陽旋轉(zhuǎn)的水平角度和一個垂直角度。如果存在這樣一種“以太”，那么兩個角度的光速將有顯著差異。但是實驗給出了出乎意料的結(jié)果，測量的光束速度之間沒有可觀測到的差別。 狹義相對論 1905年，愛因斯坦發(fā)表了他的論文《論動體的電動力學(xué)》，愛因斯坦在這本書中提出了后來被稱為狹義相對論(SR)的理論，它包含了兩個假設(shè)：物理定律在所有非加速慣性參考系中都是相同的；無論觀察者或光源的運動如何，真空中的光速是恒定的。 愛因斯坦突破的一個關(guān)鍵方面是洛倫茲變換，為了簡單說明，他也舉了一個例子。在火車地板和天花板各有一個鏡子，光線在其中來回反射。對于火車中的人來說，他們觀察到光是豎直的；但是對于地面人員來說，他們觀察到光是鋸齒形的。由于光速相對于兩個觀察者來說是相同的，但由于光的軌跡在他們看來是不同的，因此他們會經(jīng)歷不同的相對論效應(yīng)，例如尺縮效應(yīng)、時間膨脹等。 對于低速運動來說，這種區(qū)別非常小，難以產(chǎn)生可測量的差異。但當(dāng)物體的速度越來越接近光速時，這種效應(yīng)就會增強。此外，愛因斯坦還推導(dǎo)出了只能方程，在這個等式中質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)換的。 SR的另一個結(jié)果是，它將空間和時間解釋為同一現(xiàn)實的兩種表達。牛頓物理學(xué)把空間和時間看作是分開的和固定的，而愛因斯坦提出了一個由三維空間和一維時間組成的四維幾何。 廣義相對論 在1905年到1915年之間，愛因斯坦試圖通過擴展SR來解釋引力，這在很大程度上是由于牛頓的萬有引力所產(chǎn)生的理論問題。此前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)牛頓的方程可以解釋當(dāng)時已知的大多數(shù)太陽天體的軌道。然而，水星的軌道呈現(xiàn)出牛頓方程無法解釋的長期特性。除了有一個高度偏心的軌道，水星的近日點也隨著時間的推移圍繞太陽運動，這被稱為“近日點進動”。 1915年11月，愛因斯坦向德國柏林的普魯士科學(xué)院提交了他的場方程。這些方程說明了時空的四維幾何如何受到引力場和輻射的影響。用約翰·惠勒的話說，“時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲。”由此，愛因斯坦的廣義相對論(GR)正式誕生，并很快成為我們現(xiàn)代物理學(xué)理解的基礎(chǔ)。 愛因斯坦的廣義相對論成功解決了水星近日點進動的問題，并且還有幾個重要的理論預(yù)測，其中光線彎曲在1919年得到了驗證。 愛丁頓實驗 愛丁頓實驗尋找在日食期間經(jīng)過太陽背后的恒星。如果愛因斯坦的理論是正確的，那么來自這些恒星的光將會沿著由太陽引力引起的時空曲率軌跡運動。對觀測者來說，這種效應(yīng)會讓它們看起來就像恒星本身就在太陽旁邊。由于太陽光被月球有效地遮擋住了，所以他們的儀器就可以看到這些光線了。 科研團隊不僅看到了這些恒星，而且它們在夜空中的位置與愛因斯坦場方程預(yù)測的位置完全一致。這個故事立刻被世界各地的報紙轉(zhuǎn)載并刊登在頭版，使愛因斯坦和廣義相對論轟動一時！然而，這只是眾多測試和預(yù)測中的一個。 宇宙膨脹 1917年，愛因斯坦試圖用GR創(chuàng)建一個宇宙結(jié)構(gòu)的模型。令他沮喪的是，他發(fā)現(xiàn)在宇宙尺度上，他的場方程預(yù)測宇宙要么處于膨脹狀態(tài)，要么處于收縮狀態(tài)。為了防止星系團和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)自身坍縮，需要有某種東西在最大尺度上抵消引力。由于他更喜歡永恒不變的宇宙，愛因斯坦引入了一個新的概念。 這就是所謂的宇宙常數(shù)，用場方程中的數(shù)學(xué)符號Lambda來表示。他大膽地說，這種力負責(zé)“抑制引力”，并確保宇宙的物質(zhì)能量密度隨時間保持不變。這樣做，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)自己陷入了穩(wěn)態(tài)假說和宇宙大爆炸理論之間的爭論中。 1922年，俄羅斯物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼用數(shù)學(xué)方法展示了愛因斯坦的場方程是如何與動態(tài)宇宙相一致的(弗里德曼方程)。緊隨其后，在1927年，比利時天體物理學(xué)家喬治·勒梅特證明GR和膨脹的宇宙符合天文觀測，特別是美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃的觀測。 1931年，愛因斯坦在威爾遜山天文臺拜訪了哈勃，在那里他目睹了星系是如何從銀河系中退去的。作為對哈勃展示給他的東西的回應(yīng)，愛因斯坦正式宣布將從他的理論中去掉宇宙常數(shù)，并聲稱這是“我職業(yè)生涯中最大的錯誤”。然而，整個20世紀90年代的觀測表明，宇宙膨脹正在加速，這使得天體物理學(xué)家推斷，有一種神秘的力量抵消了引力，我們把這種力量稱為暗能量。 黑洞、引力透鏡和引力波 1915年，就在愛因斯坦公布GR的幾個月后，德國物理學(xué)家兼天文學(xué)家卡爾·史瓦西找到了愛因斯坦場方程的一個解，該解預(yù)測了黑洞的存在。 GR 預(yù)測的另一個影響是引力場如何彎曲和聚焦來自更遠光源的光。這被稱為引力透鏡，其中一個特別大的物體充當(dāng)“透鏡”來放大它之外（或后面）的光。 GR的另一個預(yù)測是引力對時空的漣漪效應(yīng)。當(dāng)兩個特別大的物體合并并以引力波的形式釋放出巨大的能量時，這種現(xiàn)象就會發(fā)生。LIGO天文臺于2016年首次確認探測到這些波，大約在愛因斯坦首次預(yù)測它們的一個世紀之后。
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