《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第35节

作者: 一朵熊ss
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  由此,自伽利略以来,爱因斯坦成为了第二个深刻洞见宇宙的终极秘密——相对性原理——的人:不仅匀速运动与静止状态下的物理法则是等效的,处于惯性力场与引力场中的物理效应同样难以分辨。之所以说“难以”分辨,是因为:不同于运动/静止体系,惯性力场与引力场之间还是存在着细微差别的。
  你需要再次回到梦境,别害怕——这次,我保证是个美梦:请你住进一套宽广无比的超级豪宅,房屋占地面积四四方方足有十平方千米。如图a,在那么大的跨度内,从一端跋涉到另一端将比任何一堂地理课更有助于理解这句名言:地球是圆的。此时,如果位于屋顶两端的水晶灯同时朝着地面掉落,你将发现它们的轨迹并不平行(因为两盏灯的运动方向都必须指向地心)。然后,同上例一样,把地球撤走,换成一对超级翅膀带着豪宅以加速度g腾空飞翔。此刻,对于端坐在沙发的你来说,当然感受不到任何变化;可是,对于高悬在屋顶的水晶灯来说,它们的“下落”轨迹却与刚才有所不同。

  如图b,由于匀净的加速度,两端的地板都将笔直撞向水晶灯,所以,两盏灯的“掉落”轨迹互相平行。一个细小的区别,让你不用借助参照系,就可分辨出脚下到底是地球还是虚空。因此,这一“偷天换地”只有在引力场的大小与方向都分布均匀的情况下才能施行,具体到地球表面,由于所有物体受到引力方向都直指地心,所以必须强调:在空间一个足够小的区域内,处在引力场中的系统与另一个在无引力条件下做匀加速直线运动的系统相比,二者的动力学效应不可区分。这就是爱因斯坦“等价性原理”。

  还记得《力的故事》中有关空间站的谜题吗:近地环行的空间站明明处在地心引力的管辖范围内,宇航员为何纷纷“失重”?把爱因斯坦的立论反推一下,答案即自动浮出水面:当空间站在引力的牵拉下朝着地球“自由下落”时,就相当于在重力场的反方向给自己设定了一个加速度,也就是说,它在反方向上有了一个新的“场”,正好把指向地心作用力给抵消掉,因此,自由下落的物体感受不到重力的存在!想知道太空舱里啥滋味——去玩蹦极吧。

  日期:2014-12-28 11:51:05
  时间弯曲
  回到正题,有了爱因斯坦的终极版相对性原理之后,科学家不必斥巨资建造各类引力场或望眼欲穿地等待着星际旅行把他们送至黑洞附近,只需通过调节系统的加速度,观察各匀加速状态下系统内部的状况,就可以一窥引力的奥妙了。
  如图,在航天火箭的舱头A与舱尾B各放置一只钟表,起飞前先把它们的指针校调一致,然后令火箭以恒定加速度a前行;问随着飞行越来越快,两只钟表谁将跑得比较快?什么,钟表不是校准过吗,它俩应该步调一致呀?为搞清楚这个问题,需要在位置A处再配置一台发光设备,令A钟每走过一秒就闪光一次;而位置B处则负责接收信号,并与自己的指针相比较。
  假若A第一次闪光时,火箭正在位置a处,如图一。那么当B接收到光信号时,火箭已前行到位置b。别忘了,火箭还在继续加速,等到A第二次闪光时,将处于图二当中的位置c,同理,B在位置d处才接收到光信号。由图可知,光第一次行走的路程为L1,第二次为L2;由于图二中火箭的行驶速率要大于图一,所以接收器B第二次捕捉到信号时,光所走过的距离L2就要短于L1。
  因为A处两次发光的间隔已设定为1秒钟,并且第二轮光所走过的路程L2要比L1短了一段微小的距离,而光速恒定,所以,B接收到两次光信号的时间间隔(以B钟来测量)要比1秒稍微短那么一点点。以此类推,B处检测到的所有“前一轮闪光”与“后一轮闪光”之间的时差都将比A处略短些,也就是说,当你坐在舱尾,你将发现:B钟比A钟跑得慢!

  根据等价性原理,我们把发动机关闭,将火箭移至重力场中,比如:令其矗立在地球表面。同样,在舱头与舱尾各放一只钟表,耐心等待足够长的时间,你将见证奇迹:两种表的时间刻度渐渐拉开了距离,接近地心的那只越走越慢(注:因为地球所能提供的力场还不够强,带来的细微变化需要积累放大之后才能被“看”到)。处在引力场中不同位置,时间的快慢将发生变化——这就是传说中的“时间弯曲”效应。

  不知这一景象是否满足你的期待,它或许并不像某些幻想大片中吹嘘得那么神乎其神,但却于精微处展现了设计的韵律之美。有了等价性原理,科学家不必冒着“无穷大”的危险满世界地搜寻黑洞并徘徊在其周围以测算时间差,只需把两只时钟一前一后塞进高速火箭,待其环游归来,比较指针的位置即可。但其实,还有更简便的方法:在狭义相对论的启发下,理论家已经知晓相对运动的两个体系遥相对望时分别会看到什么情形。因此,通过观测者与被观测者的身份调换游戏,研究人员甚至不必将时钟送上火箭,只需利用关系式计算出呼啸而过的火箭上,地面相对静止的时钟在宇航员眼中的变化,就可精确预测时间在不同强度的引力场中的弯曲程度了。

  具体说来:引力场越强、物体距离引力源越近,时间流动得就越缓慢。因此,居住在极地梦幻冰屋里时间要比待在赤道摩天大楼中来得慢,难道这就是爱斯基摩人的长寿秘诀?其实,由地心引力所造成的时间延缓效应非常之弱,二十千米的差距下,每百年还不到一秒——想要靠此延寿,收效甚微。所以啊,与其立马移民极地,莫如老实呆在原地,只是每日上下班时用爬楼梯来代替乘电梯吧。
  日期:2014-12-28 15:17:26
  话说 LZ有点儿Hold不住了
  内容进入新一阶段 本想看看大家的反馈 可是 点开来 通篇都是……
  每个人都有发表和捍卫自己观点的权利 LZ虽不认同您说的每一个字 但依然努力尊重您说话的权利~~
  可是 既然彼此话不投机 您何不自个儿另外开个贴 去寻找您的知音呢?
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