我们都知道,宇宙万物都在不停地运动当中,但这并不意味着运动一定是绝对的,这里就涉及参照物的选择问题。
举个简单的例子,你和朋友坐在高速行驶的汽车里,你们都会认为对方没有动,都是静止的。但外面站在地面上的人会认为你们在快速运动。
到底谁对谁错呢?
都对,无论是静止还是运动都没有错,只是参照物的选择不同罢了。
同时这里还有一个更大的问题。当高速运动中的你和朋友突然急刹车时,你会突然向前冲,好像有某种力量推着你一样,我们知道这是惯性作用,并把这种无形的力叫做“惯性力”。
但惯性力真的存在吗?它到底是什么样的力呢?
强大如牛顿这样的物理学大咖也解释不了。后来爱因斯坦提出狭义相对论之后,依旧对惯性力无能为力。
但爱因斯坦没有放弃,他那天才般的大脑和颠覆性的思维方式让我们看到了“惯性力”的神秘面纱。
在高中物理课上我们都学过,物体有两种质量:引力质量和惯性质量,用公式可以这样表达,前者是牛顿第二定律:F=ma,后者就是万有引力定律。
F=ma公式中的m为什么是惯性质量呢?当我们给质量不同的两个物体施加相同的力量时,物体的加速度肯定不一样,为什么?
就是因为质量的不同造成惯性大小的不同,这时候的质量体现出了惯性,因此叫惯性质量。
惯性质量是对一个物体惯性的度量,而引力质量是对物体之间引力的一种度量。
那么惯性质量和引力质量之间到底有什么关系呢?
在经过长时间深入思考之后,爱因斯坦提出了一个公设:惯性质量和引力质量等价,这个公设也让爱因斯坦敲开了广义相对论的大门!
爱因斯坦不是通过现实中的实验提出这个公设的,而是通过思想实验,下面简单说一说这个思想实验。
你手里拿着一个苹果,你会感受到苹果施加给你的力(重力),当然你也会给苹果一个力,力的作用是相互的。如果你把苹果丢掉,你会发现苹果会以自由落体的方式掉到地面上。
接下来想象一下这个画面。
你在一艘飞船上遨游太空,飞船的加速度正好是9.8米每秒,你手里仍旧拿着一个苹果。假设你不知道自己在飞船上,四周都是密闭的,而且没有任何声音,此刻的你什么感受?
你肯定会觉得自己被关闭在地球上某个封闭空间,因为你感受到的加速度与地面的重力加速度是一样的。这时候的你再扔掉那个苹果,苹果仍会以自由落体的方式落到飞船底部。
也就是说,你在飞船上以9.8米每秒的加速度飞行时的感受,与静止站在地面上是一样的,两者是等效的!
正是因为两者等效,所以你无法区别你到底是在飞船上飞行以9.8米每秒的加速度飞行,还是静止站在地面上!
明白了这点,下面进入更深层次的思想实验。
你仍在以9.8米每秒的加速度飞行的飞船上,不过你手里拿的不是苹果,而是一个激光手枪。当你打开激光枪之后,你会看到激光以直线方向飞行。
但是,如果我在地球上,会看到什么景象呢?由于飞船存在加速度,我会看到激光飞行的路线是弯曲的,向下弯曲。
但是刚才我也说过了,飞船以9.8米每秒的速度飞行,其实就等效于飞船静止在地面上不动。
既然两者是等效的,那就意味着静止在地面上不动的飞船发射激光枪,激光同样会发生弯曲!
但为何我们发现不了这种弯曲呢?比如说打开手电筒,我们只能看到光线直线飞行。
那是因为地球质量实在太小了(当然是相对的),地球质量对光线的弯曲程度实在有限,我们根本观察不到!
这里需要强调一点:光速不变原理,在任何参照系和任何运动状态下,光速都是不变的,这点很重要。
知道了光速不变原理(这个原理是狭义相对论的基本公设之一),就很容易明白“光线的弯曲其实就意味着时空弯曲”。
如何理解时空弯曲呢?
还拿刚才的例子说明。飞船里你的看到光线飞行时水平的,而地球上的我看到光线是弯曲的,这意味着当光线飞到飞船侧壁的距离在我们两人眼里并不相同,我看到的光线飞到飞船侧壁的距离会更长(因为光线是弯曲的)。
这说明,在我们两人眼里,光线并没有同时到达飞船侧壁,这也就是所谓的“同时的相对性”:一个同样的事件,在不同参照系下观察,并不是同时发生的。
可以预见的是,飞船的加速度越大,这种时间差异就越明显,这也是为什么在黑洞附近,时间流逝的速度就变得很慢。
物体都会对周围时空产生弯曲效果,大质量天体的弯曲效果更明显。时间和空间都会发生弯曲,因为时间和空间是一体的,简称“时空”。
以上就是广义相对论诞生的前提,爱因斯坦的深入思考,得出了“时空弯曲”的结论,否定了牛顿的绝对时空观,取而代之的是相对时空观。
惯性质量和引力质量的等效原理,再加上广义相对性原理(在狭义相对论中引入引力作用),在两大原理的基础上,广义相对论应用而生!
”的结论,否定了牛顿的绝对时空观,取而代之的是相对时空观。
惯性质量和引力质量的等效原理,再加上广义相对性原理(在狭义相对论中引入引力作用),在两大原理的基础上,广义相对论应用而生!