爱因斯坦和他的相对论(下)

爱因斯坦的广义相对论预测,地球周围的时间和空间被地球的自转扭曲。美国太空总署(NASA)在2004年4月20日发射的科学探测卫星──重力探测器B(Gravity Probe B)证实了这个推测。

 

LM209_09

我们都知道这个小故事:牛顿在苹果树下看书,一颗苹果掉下来打在他的头上,让他领悟万有引力(或称万有重力)的原理爱因斯坦的狭义相对论应用了牛顿的经典力学和经典运动学,经典电磁学,接下来爱因斯坦花了十年时间,思考如何把相对论应用到重力场。 1915年年爱因斯坦发表广义相对论,广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中,并在此基础上应用等效原理而建立在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率);这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量──动量,张量直接相联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程式,从这个理论发展出一些结果:

1.在重力场的影响下,时间会变慢。

2.光线在重力场的影响下会弯曲。

3.旋转的质量会影响它附近的时间空间。

4.爱因斯坦的引力场方程式。

爱因斯坦的广义相对论在天体物理学中有非常重要的应用。爱因斯坦引力场方程式描述处于时空中的物质如何影响其周围的时空几何,并成为爱因斯坦的广义相对论核心。

爱因斯坦的引力场方程式是一个二阶非线性偏微分方程组这个方程式或简称「爱因斯坦场方程式」:

相对论在生活上的验证

在爱因斯坦发表相对论之前,科学家相信物质不变定律,但是相对论告诉我们,质量和能量可以互相转换,质量转换成能量是十分巨大的,这样转换的能量等于质量乘以光速的平方:E = MC2。

二次世界大战期间,美国开始研究和制造原子弹。 1945年年,第一颗原子弹在美国新墨西哥州的沙漠试爆成功,证实从质量转换成能量可以释放巨大的能量。今天的核能发电,以及其他的核能应用,已经成为我们日常生活的一部分。

接着就是相对论中关于时间膨胀的问题。时间变快或变慢在我们日常生活中实在无法体验。狭义相对论告诉我们,当物体运动时,不论运动的方向,从静止的观察者的时钟去测量,运动中的时钟会变慢,在光速运动的物体,像是光子,在时间轴上是静止的,运动速度低于光速的物体,它的时间转换是根据洛伦兹转换公式:

T = T0 /(1-(v / c)2)0.5

在这个公式里,V是运动物体的速度,C是光速,光速是每秒钟30万公里。现在波音777客机每小时飞行900公里,每秒钟是2.5公里,把这个速度放进洛伦兹转换公式,这个时间的改变因为太小,而无法察觉。

但是在今天的生活里,有一件事情必须用到相对论的时间转换公式,就是全球卫星定位系统(全球定位系统,GPS)。全球卫星定位系统是由二十四颗在两万公里高空运行的卫星来定位,因为卫星运行的速度,使它的时间变慢了;但是因为它在两万公里的高空运行,重力减弱,根据广义相对论,时间就变快了,合并的效果是快了36微秒。这个非常微小的时间改变,使全球定位系统计算出来的地球上的位置差了几公里,所以全球定位系统利用相对论的公式,校正它在卫星上的时间,并给予正确的定位。

相对论在宇宙学的应用

相对论改变人对于绝对时间和绝对空间的想法──原来时间和空间并非绝对,也非独立,时间和空间竟然有弹性,而且是四维的时空结构。

爱因斯坦时代的非基督徒科学家和一般人相信,宇宙是自有永有的,宇宙不是被创造出来的,也不会改变,物质元素不灭,而且我们所处的银河系就是整个宇宙。这种认知是根据当时科学界对宇宙的观察而得。

虽然相对论在日常生活上没有太多应用和影响,但是相对论开启宇宙科学的研究。过去一百年来,根据广义相对论的场方程式,以及狭义相对论的质能互换公式,使人对宇宙有了更大更多的认识比利时物理学家罗梅村根据广义相对论的场方程式,发现宇宙的空间和时间是有开始的;美国物理学家伽莫根据狭义相对论的质能互换公式,发现今天的物质世界是由能量转换而来。因此,相对论成为宇宙大爆炸论的理论基础。

<诗篇>九十篇4节:「在你看来,千年如已过的昨日,又如夜间的一更」

<彼得后书>三章8节:「亲爱的弟兄啊,有一件事你们不可忘记,就是主看一日如千年,千年如一日。」

从今天的科学知识来看这两段圣经,我们知道这并非简单的文学修饰,而是启示宇宙的奥秘,上帝的时间座标跟人确实不一样。

下一次,我将介绍近代天文学的研究和发展。 (全文完)

蒙允许转载自宇宙光

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注