當光經過大質量物體附近時會發生什麼?它只是繼續沿著一條直線,沒有偏離它原來的路徑嗎?由於附近物質的重力作用,它會受到力嗎?如果是的話,它所承受的力量有多大?這些問題觸及到重力如何工作的核心。今年,2019年,標誌著廣義相對論被證實100周年。在1919年5月29日的日全食期間,兩個獨立的團隊成功地進行了測量太陽邊緣附近恆星位置的探險。通過當時技術允許的最高質量的觀察,他們確定了遠處的星光是否被太陽的重力彎曲,以及彎曲的程度。這一結果震驚了許多人,但愛因斯坦(後面尊稱為小愛)肯定認為這是自己的常規操作,不必驚訝。
任何慣性系都遵循相同的物理準則
想像你在電梯裡,電梯已經平穩運行,電梯的門關著。你可以聽到外面的聲音,但你看不到外面發生了什麼。你只知道你能感覺到什麼,現在,你試著問你能問的最有實際意義的問題。你移動的有多快,向哪個方向?你的動量有沒有改變?如果是的話,是什麼導致的呢?從電梯裡,無法看到外面發生了什麼,你幾乎無法知道這些問題的答案。根據小愛的規則——追溯到小愛之前,一直到伽利略——你都不能判斷你是否在運動。
沒有什麼測量可以讓你從電梯內部單獨進行,來告訴你速度相對於外部世界是多少。你的電梯可以向上、向下、水平或任何方向移動;除非它的運動發生變化,否則不會對電梯內發生的任何事情產生物理影響。
這就是相對論的原理:所有慣性(非加速)參照系都遵循相同的物理定律和方程。對於任何觀察者來說,靜止電梯和勻速運動電梯內的宇宙特性都是無法區分的。只有當你能看到外面,並把你的運動和外部的東西進行比較,才有辦法知道你是如何運動的。
對火箭裡面的觀察者來說,火箭上升過程他們會感受到不斷加速的力量,但無法確定它的來源。一旦加速度停止,他們就不知道他們是否在運動,除非他們能觀察外面的世界。狹義相對論的核心是沒有絕對運動這樣的概念:所有不加速的觀察者都可以平等地宣稱他們的觀點看到的物理現象是正確的。
加速度產生的力
然而,如果電梯加速,這個故事就會發生戲劇性的變化。以9.8米/秒的速度向上加速的電梯會看到它裡面的所有東西都以同樣的速度向下加速到地板上:9.8米/秒。當你在一輛快速加速(你感覺自己被推回到座位上)或減速(推動你前進)的汽車上時,你會感受到與加速電梯裡的人相似的效果。正是運動的變化——加速度——讓你感受到力的拖曳,就像你從牛頓最著名的方程看到的那樣:F= ma。
當車輛經歷加速運動而不是恆定運動時,駕駛員和任何乘客都會經歷一個等於其質量乘以加速度的力。即使在一個封閉的系統中,你不能觀察或觀察外部世界,也會有一種力量讓你得出結論,你的經歷與特定的加速度是一致的。
引力和加速度等效
現在,讓我們來看一個不同的問題。如果你在同一部電梯裡,但它沒有加速,而是靜止於地球表面,你會從裡面體驗到什麼?
來自地球的重力以同樣的加速度拉下一切——9.8米/秒—在我們星球的表面。如果電梯靜止在地面上,地球的引力仍然會導致裡面的每個物體在9.8米/秒的加速度下向下運動:同樣的結果就好像電梯正以這個速度向上加速。對於電梯裡無法看到外面世界的人,也無法知道他們是靜止的,而是在重力場中,還是由於外部推力而加速,這些場景的感受是相同的。
加速火箭(左)和地球(右)中球落地的相同行為證明了愛因斯坦的等效原理。測量單點加速度顯示重力加速度和其他形式的加速度沒有區別;除非你能以某種方式觀察或獲取外部世界的信息,否則這兩種情況會產生相同的實驗結果。
重力場怎樣造成光線彎曲
現在,想想如果你讓一束來自外面的光束通過一個洞進入電梯的一側,並觀察它撞擊另一側牆壁的地方會發生什麼。這取決於你相對於外部光源的速度和加速度。特別是:
①如果電梯和光源之間沒有相對運動或相對加速度,光束看起來會直接穿過。
②如果有相對運動(速度),但沒有相對加速度,光束將沿直線移動,但會被移動而不能直接穿過。
③如果存在相對加速度,光束將遵循彎曲路徑,曲率的大小由加速度的大小決定。
然而,最後一種情況將同樣完美地描述重力場中的加速電梯和靜止電梯。
如果您允許光線從您的環境外部進入內部,您可以獲得關於相對速度和加速度的信息。那麼造成加速度的原因,無論是慣性(推力)還是重力效應,都不能僅僅從觀察中辨別出來。這是小愛等效原理的基礎:觀察者不能區分重力或慣性(推力)效應引起的加速度。在極端的情況下,在沒有空氣阻力的情況下,從建築物上跳下來,會有完全失重的感覺。
小愛思想實驗的結論是無可辯駁的。無論重力效應在空間的某個位置——無論它們引起什麼加速度——它們也會影響光。正如用推力加速電梯會導致光線偏轉一樣,讓光線靠近重力物體加速也會導致同樣的偏轉。
因此,小愛推斷,不僅可以預測光線在重力場中不能沿直線傳播,而且可以通過知道質量附近重力效應的強度來計算偏轉的大小。