第90章 力场
如此这般传统且看似天经地义的看法，好似一个深深植根于人们内心深处的活泼隐喻，颠末光阴的沉淀与传承，已被泛博公众遍及采取并高度认同。它仿佛成为了一条不容置疑的真谛，紧紧占有着人们思惟范畴的核心位置。但是，恰是爱因斯坦这位英勇恐惧的摸索者，仰仗其出色不凡的缔造力与冲破通例的勇气，决然决然地向这一固若金汤的传统看法建议了强有力的应战。
爱因斯坦的狭义相对论与质能方程：为甚么光速没法超出？
遵循传统的光的颠簸学说来看，光在引力场中本不该呈现任何情势的偏折。但是，如果采取一种半典范式的“量子论加上牛顿引力论”的异化观点来阐发这个题目，则会得出一个风趣的结论。起首，通过利用普朗克公式 E = hv 和质能公式 E = Mc2，能够计算出光子的质量。然后，再根据牛顿万有引力定律对光子在太阳四周遭到的引力感化停止推算，终究得出光的偏折角度约莫为 0.87 角秒。
在浩大的宇宙当中，漫衍着浩繁极度致密的天体，比方白矮星、中子星等等。通过先进的观察技术和仪器设备，天文学家们能够切确地测量出这些天体所收回的光的频次。并且，将其与地球上不异范例原子所产生的光停止详细对比阐发。令人欣喜的是，实际观察到的红移量竟然与广义相对论所作出的预言完整符合！
在爱因斯坦的眼里，时候和空间是特么的不一样。能够说，每一个物体就代表着一整套分歧的时空，因为时空是受活动速率的影响的，这就是狭义相对论的精华地点，只是在低速活动状况下，各活植物体之间的这类时空辨别不是那么较着，乃至在当代观察仪器中显现不出这类奥妙的辨别。
在广袤无垠的宇宙当中，存在着一种奇妙而又奥秘的征象——引力红移。按照爱因斯坦所提出的广义相对论，我们能够得知：在引力势强大的地区里，固有的时候流逝速率相对较慢。这意味着甚么呢？简朴来讲，就是间隔天体越近，时候的流速也就变得更加迟缓。
为甚么之前人们没有发明光这一特别的性子(实际上是一种假定)?启事就是牛顿绝对时空观束缚了人们的设想力，而爱因斯坦是摆脱这类束缚，终究破茧成蝶的第一人。
爱因斯坦以为，要处理光速悖论，唯有承认光速稳定道理，并且这是一种特别的稳定!而光速稳定道理就是相对论的根本。
当时麦克斯韦已经给出了完美的电磁实际，认定光是一种电磁波，因而就产生一个冲突。爱因斯坦以为，如果遵循牛顿实际，我们总能够达到光速，与它一起进步，这光阴在我们的眼里应当就是一列列静止的颠簸，爱因斯坦称之为解冻的波；在别人看来，以光速进步的人也一样和这列被追上的波一起进步。但是，按照麦克斯韦电磁实际，不管我们以多快的速率活动，光都将以一样的速率分开我们。
这类令人费解的征象背后究竟埋没着如何不为人知的奥妙呢？实在，它恰好活泼地证了然大海的水面并非如我们平常所设想的那样平坦如镜，而是在较大的标准范围内揭示出球面的奇特形状。但是，如果我们将目光仅仅聚焦于较小的部分范围，那么把这个球面近似地视为平面也并不会产生过于较着的偏差和弊端。
在上个世纪 60 年代初期的时候，物理学界产生了一件令人谛视标大事。当时，一群杰出的物理学家们决计深切摸索地球引力场中的奥妙，并将目光聚焦在了伽玛射线身上。他们奇妙地应用了一种被称为“无反冲共振吸见效应”（也就是我们熟知的穆斯堡尔效应）来展开研讨。
当引力场较为强大，并且我们所观察的地区不竭扩大时，曲折的效应便成为一个没法忽视的首要身分，如果对其置之不睬，那么终究获得的数据将会产生极大的偏差。让我们通过一个详细的例子来更好地了解这一征象：假定你正在北京郊区内观光，因为间隔相对较短，此时你完整无需去考虑空中曲折所带来的影响；但是，倘若你的路程是从北京一向延长至悠远的海南岛如许的大标准范围，那么由纬度差别而激发的空中曲折环境就变得相称显着且不容忽视了。恰是基于这类环境，本来合用于较弱引力场和较小观察地区的狭义相对论（SR）与典范的牛顿引力实际相连络，进而演变成更加完美和切确的广义相对论（GR）。
他以其超凡脱俗的聪明与通俗洞察力，胜利地构建起了一种前所未有的全新活动学实际——狭义相对论（SR）。这一实际好像一座巍峨耸峙的丰碑，奠定了当代物理门生长过程中的首要基石。
好啦，现在就让我们一同踏入那奥秘通俗的宇宙天下，去细细切磋一番引力场中“力”这个扑朔迷离的观点和时空曲折之间令人赞叹不已的奥妙关联吧！请闭上眼睛，放飞思路，试着去设想如许一幅画面：光芒在引力场的广袤范畴里翩翩起舞，它们的活动轨迹好像沿着一条被付与了奇异魔力的特别途径——测地线奋勇向前。这类景象好似地球上那些绚丽的大圆普通。
正因为如许，对于那些一向在太空中长时候运转的轨道卫星而言，它们的 GPS 计时体系就显得相称首要了，并且这个体系还必必要将相对论效招考虑在内。这此中的启事在于，如果不把相对论效应归入计算范围，那么这些卫星所供应的定位和时候信息将会呈现庞大的偏差，从而影响到各种依靠于切确位置和时候数据的利用。
但是，就在我们不经意间把视野转向那些充满着极速狂飙、风驰电掣般的高速活动场景之时，阿谁一向以来都被视为坚如盘石、牢不成破的“同时”观点，竟也开端如同风中残烛普通摇摇摆晃，闪现出它深藏于内的各种马脚和范围之处。而在这浩繁启事当中，最为核心且关头的要素莫过于那令人瞠目结舌的观察信号传播速率——它竟然能够达到惊世骇俗的光速 c，换算下来差未几就是每秒钟约莫 30 万千米！如许匪夷所思的速率的确超乎设想。
关于狭义相对论，在牛顿的天下里，时候和空间是绝对的，稳定的和静止的，物理学中称之为绝对时空观。因为这类观点使得牛顿力学应用起来是那么的得心应手，乃至于悠长以来统治着人类的大脑，让牛顿的职位在科学界，特别是天文学界是那么的不成撼动。
跟着频次的降落，本来应当处于其他波段的光芒开端向着光谱中的红色一端挪动。正因如此，这类征象被科学家们形象地称之为“引力红移”。
直到200多年后，一名在科学界能够与牛顿比肩而立的科学大师的横空出世，才突破了这类看法。能够大师都晓得，我要说的这位科学怪人是谁。不错，他就是赫赫驰名的阿尔伯特·爱因斯坦!
但是，如果将察看的视角俄然切换到那些环抱着地球运转的卫星身上，环境又会有所分歧。这些卫星沿着特定的轨道高速飞翔，其速率大抵能够达到惊人的十千米每秒高低呢！固然这个速率相对光速而言确切已经快了很多，可即便如此，它还是仅仅只是光速的十万分之三罢了。以是从团体上来看，如许的速率还是处在人类能够接管和容忍的范围以内的。
在实际糊口中，这是那难以设想的。就是说，在真空中，光是一个奇特的东西的，不管你是站着不动，还是以很快的速率追逐他，还是以很快的速率分开它，它相对于你的速率都是30万千米每秒，毫无窜改。这就是爱因斯坦所说的光速稳定道理。
这一惊人的发明无疑进一步考证了广义相对论的精确性，同时也让人类对于宇宙本质的了解向前迈进了一大步。引力红移的研讨不但有助于揭露宇宙深处那些未知的奥妙，更加将来摸索更多关于时空布局以及物质相互感化等范畴奠定了坚固的根本。
但令人惊奇的是，当应用广义相对论来停止一样的计算时，所得出的偏折角竟高达 1.75 角秒，几近是前一种体例算出成果的两倍之多！如许庞大的差别无疑给物理学界带来了激烈的打击，也进一步凸显了广义相对论在描述引力征象方面的出色才气和精确性。
在 1919 在阿谁特别的年份，第一次天下大战方才落下帷幕，天下正处于动乱与窜改当中。就在这时，英国科学界有一项首要的研讨正在悄悄展开——由驰名科学家爱丁顿所带领的两支考查队踏上了一段充满应战和未知的征程。
在我们日复一日、平平无奇且充满各种琐事的平常糊口里，所闪现出的状况却与其他范畴大相径庭。就拿司空见惯的汽车来讲吧，其普通行驶时的速率常常不过才戋戋一百千米每小时罢了。如许的速率如果跟光速比拟起来，那可真是如同沧海中的一粒粟米般微不敷道啊！因为它仅仅只是占到了光速的千万分之一罢了，如此微乎其微的一个比例，实际上对我们来讲几近完整能够忽视掉，底子不成能会给我们的糊口形成任何本色性的影响或是带来甚么困扰。
在此之前，悠长以来，人们对于时空的遍及认知一向逗留在如许一个层面：当存在着相互活动状况的两个观察者时，他们常常会不约而同在时候计量方面挑选共同利用同一个时钟。基于如许的前提前提，自但是然地便产生出一种共鸣，即以为这两个观察者对于时候所作出的表述理应是毫无偏差、完整分歧的。
他们的目标非常明白：趁着跨大西洋地区呈现罕见的日全食这一绝佳机会，停止一次意义不凡的天文观察。此次观察旨在考证爱因斯坦提出的广义相对论中的一个关头预言：光芒在强引力场感化下会产生偏转。
设想一下，当天体大要的原子向外发射光芒时，因为所处位置的引力场强度较大，导致这些原子内部的物理过程都遭到了影响。因而乎，它们所收回的光的周期逐步拉长。但是，需求重视的是，光速始终保持恒定稳定。在这类环境下，光的频次天然就会随之减小。
上面所说的环境恰是我们为甚么要引入四维时空观点的底子启事。实际上，这一观点的产生源于对分歧参考系之间相互联络时所利用信号速率的深切思虑，而这里所说的信号速率指的就是光速。
特别需求指出的是，当引力场变得极其微小的时候，广义相对论会逐步趋近于狭义相对论；一样地，当物体的活动速率较为迟缓时，广义相对论也会自但是然地回归到牛顿引力实际。由此可见，广义相对论并非是对畴昔实际的通盘否定或完整颠覆，而是在前人研讨服从的根本之上更进一步、更臻完美的生长。它不但没有违背那些在传统前提下（即低速和弱引力环境）颠末几次考证的尝试究竟，反而以一种更高层次的视角将这些已有知识有机融会，并拓展出全新的科学视野和利用范畴。能够毫不夸大地说，广义相对论可谓人类对于宇宙本质熟谙门路上一座具有划期间意义的丰碑！
一旦某个物体的挪动速率慢慢靠近，乃至终究到达能与光速一较高低的程度之际，那么毫无疑问，我们再也没法对因为二者之间信号通报速率存在差别从而导致的时候偏移征象视若无睹了。这类时候偏差可绝非微不敷道的细枝末节，而是会在很多环境下产生极其深远影响的首要身分。
科幻电影中的翘曲速率，超空间或其他技术，能让飞船超光速飞翔，然掉队行星际观光。但不幸的是物理学表白科幻电影不能成为科学究竟。因为我们能够永久也没法超越光速，关于为甚么不能超越光速，这能够对于有些人来讲是个新奇事。
在那悠远而又充满窜改气味的 1905 年，这个必定要载入史册、具有划期间严峻意义的特别年份里，有一名可谓巨大的科学大师如同一颗刺眼夺目的灿烂明星普通，横空出世，闪烁于科学界那广袤无垠的浩大天空之上。这位巨人便是环球闻名的阿尔伯特·爱因斯坦。
常日里，当我们悠然得意地安步于平坦无垠的大地之上时，仰仗着日积月累的平常糊口经历，我们老是理所当然地感觉本身脚下所踏出的每一步都是笔挺笔挺、毫无盘曲的直线。但是啊，倘若我们始终果断不移地沿着这条看似浅显无奇的门路一起前行，并且将这段漫漫路程不竭延长拓展，直至长达二十千米那样悠远的间隔之时，或许就在某个不经意间，我们将会惊诧万分地发觉到，本来信誓旦旦认定为笔挺如箭的门路，竟然不知何时已然悄悄开端缓缓向下曲折起来。哎呀呀，这究竟是如何一回事呢？实在答案并不庞大，只因为我们赖以保存的地球本身就是一个呈圆球状的庞大天体呀！
爱因斯坦的胜利来源于他16岁时的一次大开脑洞的胡想。他对本身说，如果我能和光一样快速进步，与它并肩而行，我将会瞥见甚么样的景象?
紧接着，爱因斯坦满身心肠投入到对如何切确描画身处引力场当中物体活动状况这一困难的深切思考当中。要晓得，宇宙中的星体之间遍及存在着万有引力，而这类强大的力量会导致物体产生加快度不竭窜改的活动状况。这类因引力激发的加快活动和狭义相对论中所切磋的、察看者相互之间以恒定速率挪动的环境的确是大相径庭。时候如同白驹过隙般仓促流逝，日复一日，年复一年。终究，汗青的指针指向了公元 1915 在这个具有里程碑意义的时候。就在此时，在申明远扬的数学家格罗斯曼以及希尔伯特两位大师的通力合作与尽力襄助之下，爱因斯坦历经无数次的尝试与摸索以后，如同醍醐灌顶普通，找到了那把能够将狭义相对论和牛顿万有引力定律这两大实际精美绝伦地融为一体的关头钥匙。至此，他终究如愿以偿地实现了这一惊世创举，胜利构建起了一个全新且更加完整的物理学体系，为人类对于宇宙奥妙的认知揭开了极新的一页。
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颠末一系列经心设想的尝试和切确测量后，这些科学家胜利地检测到了光在垂直传播时所产生的红移征象。这一发明引发了遍及存眷，因为其成果竟然与广义相对论所作出的预言完整符合！要晓得，在此之前，对于光在引力场中的行动一向存在着各种分歧的实际和猜想。
无独占偶，一样的事理也合用于对时空特性的研讨与了解。在相对较为狭小的空间地区里，固然引力始终存在并且阐扬着感化，但由其激发的时空曲折效应并不非常凸起和显着。正因如此，在如许的环境下，我们完整能够以为平直时空在此处成为了一种几近可谓完美的近似表达体例。
当我们回顾眺望欧洲地中海地区那波澜壮阔的帆海汗青时，会发明一个饶有兴趣的奇妙征象。设想一下，人们站在岸边极目远眺，远方海面上的船只开初清楚可见，它们就像是海面上的一个个小点，跟着间隔的不竭拉大，这些小点却垂垂变得恍惚不清，终究竟然如同被施了邪术普通，一点一点、缓缓地从我们的视野当中完整消逝得无影无踪！
换句话说，狭义相对论与牛顿引力定律只不过是爱因斯坦广义相对论的一种近似表达罢了。既然如此，那广义相对论所独占的全新结论以及相干预言究竟会闪现出如何一番气象呢？就拿炮弹来讲吧，它在引力场感化之下会走出一条抛物线轨迹，而这类征象实际上恰是因为引力场合导致的，也就是所谓的曲折时空轨道活动的详细表现。倘若不存在引力场的影响，亦或是炮弹沿着地心的径向方向挪动，那么此时炮弹便会沿着直线行进。很较着，牛顿阿谁驰名的苹果从树上掉落下来，其活动体例刚好就属于后一种朝着地心方向的指向性活动景象。基于此，爱因斯坦的广义相对论提出了三项能够加以考证的尝试假想，并且在而后的日子里，这些假想均被天文学家和物理学家们胜利地予以证明。它们别离是：引力红移、光芒偏折以及水星克日点进动。而后，跟着科学研讨的不竭深切，人们又新增了第四个可用于考证该实际的尝试项目——雷达回波的时候提早。话说返来，设想一下那奥秘莫测的亚特兰蒂斯城，如果展开一场超越星际的冗长旅途，又将会遭受哪些前所未有的奇妙经历和未知应战呢？或许在悠远的星系深处，埋没着无数不为人知的奥妙等候着英勇的摸索者去揭开……
值得一提的是，非论是光芒的传播途径，还是自在粒子的挪动轨迹，它们都仍然保持着直线的形状。从这一点解缆，能够推断出一个结论：此时现在的时空具有一种平直的特质。这类平直性意味着在没有遭到强大引力或其他特别身分滋扰的环境下，物体在时空中的活动遵守着相对简朴且可瞻望的规律。但是，一旦触及到强引力场等庞大环境，时空的性子能够会产生显着窜改，导致本来看似笔挺的途径变得曲折或者扭曲。