現代時空理論的奠基——相對論發展史

2020-12-06 源科幻

相對論,又分為狹義相對論和廣義相對論,提起它們那麼便不可避免地要提起阿爾伯特.愛因斯坦。

眾所周知,愛因斯坦是一名猶太裔德國人。1879年愛因斯坦誕生於德國烏爾姆,他的童年輾轉於德國和義大利,最終在瑞士蘇黎世結束了他的求學之旅。

愛因斯坦畢業於聯邦高等工業學校,兩年之後才在瑞士專利局開始上班。

而正是在專利局工作之時愛因斯坦發表了三篇奠定他科學界巨匠之名的科學論文。

他推翻了整個世界對光速的認知。

在19世紀末,科學家們普遍認為他們幾乎已經探索完畢所有的科學道理,即科學之路即將走到盡頭。

但現實狠狠地扇了他們一巴掌,原本他們預料真空中的光會在無處不在的「以太」中勻速行進。若是有人在「以太」中順著光而行光速會相對變慢,逆光而行則會相應地光速變快。

但阿爾伯特.邁克遜和愛德華.莫雷在1887年發現不管是以什麼方向相對著光而行光速都不會變化,即無論何時光速都恆定於299792458m/s。

隨後便有科學家提出補充以太特性,物體通過「以太」時會收縮,而且鐘錶要變慢。這種收縮和鐘錶變慢會使人們不管如何相對於以太運動,總會測量到相同的光速。

然而愛因斯坦直接掀掉了「桌子」,他在1905發表的論文中指出,如果人們不能檢測出他是否穿越空間的運動,則以太觀念純屬多餘。如果若干個觀察者進行方向、速度均不同地運動,都應該測量到相同的光速。

藉此,愛因斯坦推斷出每個人都有自己獨立的時間,流速並不一定與其他人相同。如果兩個人相對靜止,那麼他們的時間就一致,相互運動則並不一致。

這便是狹義相對論的雛形,最經典的論證便是雙生子佯謬。

但是狹義相對論與牛頓的經典力學中的引力定律相互衝突。

引力定律提到「如果人們在空間的一個區域改變物質分布,在宇宙其他任何地方引力場改變就會瞬間察覺到。」這意味著通過引力場人們可以超光速傳遞信息,而這恰恰是狹義相對論所禁止的。

於是愛因斯坦開始研究加速度和引力場之間存在的關係。

比如,如果地球是平坦的,那麼蘋果落在牛頓頭上也可以看做牛頓和地面被向上加速砸到蘋果。

但放在球形的地球上則不可取,世界相反的的兩邊的人必須在相反的兩個方向上被加速卻又停留在固定的相互位置上。

但愛因斯坦在1912年突然意識到,如果時空幾何是彎曲的,而並非之前所假設的是一片平坦則等效成立。

物體在通過時空的時候企圖沿直線運行,但因時空是彎曲的所以他們的軌道被引力彎折。

這便是後來著名的廣義相對論。

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