在弯曲的时空中追赶光速:爱因斯坦趣解相对论。
19世纪末,物理学是自然科学中发展得最完善的学科,此时物理学界正在酝酿一场革命,在这场革命中诞生了相对论,自然科学也因此进入了爱因斯坦时代。
相对论充满了难懂的革命性的新思想,据说最初提出时全世界只有12个人能懂相对论。
爱因斯坦的狭义相对论,在我们的日常生活中是很难理解的,因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动,根本无法觉察到爱因斯坦相对论所描述的效应:长度变短,时钟变慢。
但如果接近光速的运动能变成现实的话,一个以这样速度运动的人,在另一个观察者看来就可能只是一条线。
另外还会出现这样的景象:一个人坐上了光子火箭,以接近光速的高速度做星际旅行,一年后他回来了,发现儿子已经是白发苍苍的老人,而自己依然年轻。
中国古代传说中的“天上方一日,人间已一年”就可用相对论进行解释,只要那个“天”在做接近于光速的运动。
爱因斯坦还曾经使用更通俗的语言给人们解释过他的狭义相对论。
有一次,一群学生围着爱因斯坦,请他给相对论作解释,爱因斯坦考虑了一下,风趣地说:“我打个比方,比如你坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女郎谈情说爱,那么,同样的时间你觉得哪个更长?”
学生回答:“当然觉得坐在火炉上的时间长。”爱因斯坦听罢哈哈大笑,说:“这就是相对论的内容。”这个故事形象地说明时间和空间的相对性。
1916年,爱因斯坦宣告广义相对论诞生。广义相对论实际上是关于时间、空间与万有引力关系的理论,它指出空间和时间不可能离开物质而独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布。
狭义相对论已指出时间与空间是一个整体,即四维时空。广义相对论进步指出,物质的存在会使四维时空发生弯曲,万有引力并不是真正的力,而是时空弯曲的表现。
如果物质消失,时空就回到平直状态。
可以打这样的比方来说明时空弯曲:假如四个人各拉紧床单的一个角,床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃瓶在上面,如果不去推它,它就保持静止或匀速运动状态不变。
如果在床单中央放一个铅球,床单会凹下去,这个二维空间就是弯曲的了。这时,如果再放置一个小玻璃球,它就会滚向中央的大球。
按照牛顿的观点,这是由于大球用万有引力吸引小球。按照爱因斯坦的观点,则是由于大球的存在使空间弯曲了,并不存在什么引力,小球滚向大球乃是弯曲空间中的自由运动。
相对论理论远比这些形象的例子晦涩得多,难怪爱因斯坦死后有人要研究他的大脑与常人有什么不同。