【七堂極簡物理課】愛因斯坦與廣義相對(duì)論

我們好奇物種的起源,于是追溯物種進(jìn)化的歷程消略;

我們好奇植物的模樣堡称,于是記錄花開花落的瞬間;

我們好奇風(fēng)雨的芳香艺演,于是飛向天空去尋找遠(yuǎn)方却紧;

我們好奇腳下的泥土,于是我們漂洋過海追尋板塊的蹤跡胎撤;

我們好奇海洋的神秘晓殊,于是追尋它的廣袤,探索它的深邃伤提;

我們好奇空氣巫俺,好奇水,好奇一切固有的存在肿男,為什么理所當(dāng)然介汹;

我們永遠(yuǎn)年輕,永遠(yuǎn)熱淚盈眶舶沛,我們永遠(yuǎn)好奇嘹承,永遠(yuǎn)充滿詩意;

我們對(duì)于這個(gè)世界的好奇心如庭,讓我們?cè)丛床粩嗟谋磉_(dá)著自己熾烈的熱愛L揪怼!



感謝這本書為我們打開了一個(gè)新的世界

我們絕大多數(shù)人都處在一個(gè)比較尷尬的境地,這就有點(diǎn)像是哥白尼提出日心說之后豪娜,絕大多數(shù)人仍然相信著“地心說”一樣餐胀。

在20世紀(jì),隨著相對(duì)論瘤载、量子力學(xué)否灾、量子理論的提出,其實(shí)人類對(duì)整個(gè)世界的認(rèn)知已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的顛覆鸣奔∧迹可是這些顛覆性的認(rèn)知并沒有滲透下來,讓每個(gè)人都能有所了解挎狸。我們對(duì)于空間扣汪、時(shí)間這些概念都有者自己最直接和最感性的認(rèn)識(shí),這就像我們站在地球上看到的分明就是太陽和星星在圍繞著我們旋轉(zhuǎn)一樣锨匆。而隨著我們對(duì)物理知識(shí)的了解崭别,會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的真相,其實(shí)與我們?nèi)粘I钪械哪切├斫庀嗳ド踹h(yuǎn)恐锣。

自從我們發(fā)現(xiàn)地球是圓的茅主,并且在不斷旋轉(zhuǎn)以后,我們就應(yīng)該明白一個(gè)簡單而又深刻的道理:事實(shí)并非如表面所見

這將是一次無與倫比的認(rèn)知飛躍




廣義相對(duì)論的推論過程:

牛頓~萬有引力:牛頓試圖解釋物體下落和星體運(yùn)轉(zhuǎn)的原因土榴,他假設(shè)在萬物之間都存在著一種相互吸引的力量稱之為心里诀姚,那么這個(gè)力又是如何牽引兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)中間又空無一物的物體呢,

牛頓想象物體是在空間中運(yùn)動(dòng)的玷禽,他認(rèn)為空間是一個(gè)巨大的空容器赫段,一個(gè)能夠裝得下整個(gè)宇宙的大盒子,那是一個(gè)碩大無棚的框架所有的物體都在其中做直線運(yùn)動(dòng)矢赁,直到有一個(gè)力使他的軌道發(fā)生彎曲糯笙,那至于空間,或者說牛頓想象的這個(gè)可以容納世界的空間究竟是由什么做成的呢?牛頓終其一生也沒有給出答案




就在愛因斯坦出生的前幾年,英國的兩位大物理學(xué)家為牛頓構(gòu)造的冰冷的世界本砰,增添了新的內(nèi)容~電磁場

所謂的電磁場,是一種無處不在的真實(shí)存在,他可以傳遞無線電波焕阿,可以布滿整個(gè)空間咪啡,他可以震動(dòng),可以波動(dòng)暮屡,就像起伏的湖面撤摸,愛因斯坦從小就對(duì)電磁場非常著迷

很快他就想到,就像電力一樣,引力也是由一種場來傳播的准夷,一定存在一種類似于電場的引力場钥飞,他想弄明白這個(gè)引力場是如何運(yùn)作的,以及怎樣用方程對(duì)齊進(jìn)行描述衫嵌,就在這個(gè)時(shí)候他靈光一閃读宙,想到了一個(gè)非同凡響的點(diǎn)子,引力場不彌漫于空間楔绞,因?yàn)樗旧砭褪强臻g=嵴ⅰ!這就是廣義相對(duì)論的思想酒朵!




其實(shí)牛頓所想像得那個(gè)承載物體運(yùn)動(dòng)的空間桦锄,與引力場是同一個(gè)東西,這是一個(gè)驚世駭俗的理論蔫耽,對(duì)宇宙做了驚人的簡化结耀,空間不再是一種有別于物質(zhì)的東西,而是構(gòu)成世界的物質(zhì)成分之一匙铡!一種可以波動(dòng)图甜,可以彎曲,可以變形的實(shí)體慰枕,我們不再身處一個(gè)看不見的框架之中具则,而更像是深陷在一個(gè)巨大的容易變形的軟體動(dòng)物之中,太陽會(huì)使周圍的空間發(fā)生彎曲具帮,所以地球并不是在某種神秘力量的牽引之下圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)的而是在一個(gè)傾斜的空間中進(jìn)行的博肋,這就好像彈珠在漏斗中滾動(dòng)一樣,漏斗的中心并沒有產(chǎn)生什么神秘的力量蜂厅,是彎曲的漏斗壁使彈珠滾動(dòng)起來的匪凡,所以,無論是行星圍繞著太陽轉(zhuǎn)還是物體下落掘猿,都是因?yàn)榭臻g發(fā)生了彎曲病游!那么我們?cè)撊绾蚊枋鲞@種空間的彎曲呢

十九世紀(jì)有一位偉大的數(shù)學(xué)家已經(jīng)寫出了描述二維曲面的公式他還讓自己的得意門生將這一理論推廣到了三維乃至更高的維度曲面,這位學(xué)生名為黎曼稠通,他就此問題寫了一篇重量級(jí)的博士論文衬衬,但是當(dāng)時(shí)看來全然無用,論文的結(jié)論就是改橘,任何一個(gè)彎曲空間的特征滋尉,都可以用一個(gè)數(shù)學(xué)量來描述,如今我們就稱之為黎曼曲率飞主,用大寫的R來表示

后來愛因斯坦也寫了一個(gè)方程狮惜,將這個(gè)R與物質(zhì)的能量等價(jià)起來高诺,也就是說,空間在有物質(zhì)的地方就會(huì)發(fā)生彎曲D氪邸虱而!這個(gè)方程式只有半行的長度,空間彎曲這個(gè)觀點(diǎn)开泽,現(xiàn)在變成了一個(gè)方程牡拇,然而這個(gè)方程中蘊(yùn)含著一個(gè)光彩奪目的宇宙從此廣義相對(duì)論,這一神器的寶藏向人們展現(xiàn)了一連串夢幻般的預(yù)言眼姐,他們看上去像瘋子的胡言亂語诅迷,但是最終卻又得到了證實(shí)!


首先众旗,那個(gè)方程式描述了空間如何在恒星周圍發(fā)生彎曲罢杉,由于這個(gè)彎曲不僅行星要走在軌道上面圍繞著恒星旋轉(zhuǎn),就連光也發(fā)生了偏折不能再走直線贡歧!愛因斯坦預(yù)測滩租,太陽就會(huì)使得光線偏折到了1919年的時(shí)候,這個(gè)偏折被測量了出來利朵,從而證實(shí)了他的這一預(yù)測律想,其實(shí)不僅是空間,時(shí)間也會(huì)發(fā)生彎曲绍弟,愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言在地球的高空之中在離太陽更近的地方時(shí)間會(huì)過得比較快技即!而在低的地方,離地球近的地方樟遣,時(shí)間就會(huì)過得比較慢而叼,這一預(yù)測后來也經(jīng)過測量得到了證實(shí)。

然而好戲才剛剛開始豹悬,當(dāng)一個(gè)巨大的恒星葵陵,燃燒完自己所有的燃料的時(shí)候他就會(huì)熄滅,殘留的部分瞻佛,因?yàn)闆]有燃燒產(chǎn)生的熱量支撐就會(huì)因?yàn)樽陨淼闹亓慷鷮?dǎo)致空間強(qiáng)烈的彎曲脱篙,最終塌陷成為一個(gè)真正的洞,這就是著名的黑洞伤柄,如今天文學(xué)家已經(jīng)經(jīng)過自己的觀測證實(shí)了宇宙中擁有大量的黑洞绊困,并對(duì)他們進(jìn)行了詳盡的研究

還有更精彩的,整個(gè)宇宙空間适刀,都是可以膨脹和收縮的秤朗,愛因斯坦的方程指出空間不可能一直保持靜止,它一定是在不斷的膨脹蔗彤,1930年人們確確實(shí)實(shí)觀測到了空間的膨脹川梅,這個(gè)方程還預(yù)測這個(gè)膨脹是由一個(gè)極小極熱的年輕宇宙的爆炸而引發(fā)的,這就是我們現(xiàn)在所說的宇宙大爆炸然遏,人類再一次經(jīng)歷了這樣的事情贫途,起初沒有一個(gè)人相信這個(gè)理論

此外這個(gè)理論還說,空間會(huì)像海平面一樣波動(dòng)目前人類已經(jīng)在宇宙的雙星上觀測到了引力波這種效應(yīng)待侵,與愛因斯坦的預(yù)言驚人的一致

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