自然和自然的法则隐藏在黑暗中
上帝说:让牛顿降生吧
于是一切豁然开朗
牛顿
作为古典物理的开山掌门,艾克萨.牛顿无疑是成功的,他在前人提供的地基上,亲手搭建起了第一座科学大厦,而他自己的光学力学和数学,就是这座大厦的筋骨。
然而让牛顿没想到的是,自己科学成就,百年后也会成为别人的“地基”
以太破灭
19世纪的经典物理学认为,万物的传播都是需要介质才能进行的,譬如声波以空气为介质,水波以水为介质,而光波,被认为是在一种名为“以太”的介质中传播的。
“以太”在当时的物理学界,被认为是无所不在且没有质量并绝对静止的。
以太
根据经典物理力学中的伽利略变换,地球和太阳等天体在以太中“运行”,就好像船在水中运行一样,是会和“以太”产生相对速度的,理论上来说,与“以太”的相对速度,会使得地球不同方向的光速,产生速度叠加与抵消之类的变化,换句话说就是,光速在“以太”中的传播和地球在“以太”中的运行,会导致光速数值的不稳定。
1881年到1884年,美国科学家迈克尔逊和莫雷二人,开始用实验地球和“以太“的相对速度,是否会让光速数值产生变化。
实验的结果对经典物理学来说是灾难性的
以太实验
“迈克尔逊-莫雷实验”结果显示,光速数值在任何时间任何地点任何情况下,都没有发生丝毫改变,换句话说就是,真空光速在任何参照系下都保持不变,经典物理学中的速度叠加原理对光速是无效的。
身处瑞士专利局的小职员爱因斯坦,在得知大洋彼岸“迈克尔逊-莫雷实验”证明了以太不存在,且光速不变后,果断抛弃了经典物理学中的绝对时空观念,并以“光速不变”为基础,抢在洛伦兹和庞加莱前面推导出了,涉及时间与空间以及质量的三个新公式——时间膨胀公式,空间收缩公式,质量膨胀公式。
狭义相对论公式
三个公式分别对应近光速运动过程中的钟慢效应和尺缩效应以及质增效应。
推算到这一步,爱因斯坦已经看清了能量变成速度再变成相对质量的过程,质量与能量的关系在此刻前所未有的清晰,质能方程E=MC?理所当然的出现了。
质能方程
以上四个公式的诞生过程,就是爱因斯坦狭义相对论的全部。
作为划时代的理论物理学家,狭义相对论没有描述引力,一直是爱因斯坦的一大遗憾
1905年爱因斯坦发表狭义相对论后,开始长达10年的“闭关”,思考如何将引力与狭义相对论相结合,从而创造一个足以推演宇宙的新引力理论。
弹性时空
牛顿万有引力认为的平直时空,此时已经因为“水星近动”问题而开始动摇,一如当年大胆抛弃绝对时空观念一样,爱因斯坦这次又抛弃了平直时空,取而代之的是“三维空间+一维时间”的“四维弹性时空”
在弹性时空里,质量不同的天体对时空结构进行着不同程度的扭曲,引力就是时空扭曲的具体表现形式,光从大质量天体周围经过时,会因为时空结构的扭曲而发生偏折现象。
如果天体质量极大,光在经过其周围时,将偏折成一个闭环,从而让该天体周围的时空结构成为“光的坟墓”,这种现象具体表现,就是宇宙中的黑洞。
黑洞
在弹性时空中,两个质量极大的天体(譬如中子星或者黑洞)旋进并发生碰撞的过程,就是时空结构剧烈波动的过程,这种波动好似往平静的水面丢一块石头,反应到宇宙中的具体表现,就是引力波。
双黑洞引力波
还是在弹性时空中,星系这样的大质量天体系统会扭曲来自后方的光线,从而在数十万光年的宇宙尺度上营造出“放大镜”效果,这种现象被称为“引力透镜”,常被天文学家用来观测特定的遥远星系。
引力透镜
以上内容就是广义相对论的全部。
从黑洞到引力波再到引力透镜,这些已被证实存在的天体和现象,让广义相对论成为了纯粹理性思维的巅峰之作,爱因斯坦10年磨剑,割开了笼罩在宇宙规律上一层厚厚的帷幕,使人类文明向前迈出了坚实的一步。
总结
爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,一个解决了光速与质能,一个深化了引力和时空,然而相对论远非无所不能,在亚原子世界,量子力学才是掌控者,但那就是另一个故事了。
相对论和量子力学