聊聊狭义相对论-第25部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
是的，在引力场中，时空也会弯曲！由于质量的存在，引起了周围时空的弯曲！物质决定时空结构的变化！
回首一看，非惯性系与引力场等价，非惯性系中时空弯曲，引力场中时空也弯曲！
如果你对美的追求很强烈的话，必定会认为非惯性系、引力场和时空弯曲三者是可以统一起来的！
结果证明，是的，的确是的！
虽然我们在非惯性系和引力场方面还在思考该如何来进行处理，但是，幸运的是，数学家走在了前面！弯曲空间，数学上已经有了先例——黎曼几何！只要我们知道三者中的一个（时空弯曲），倘若它们是可以统一的，那么就已经足够了！
黎曼几何，广义相对论的强大而又美妙的数学工具！
感谢数学！感谢人类本身的智慧！
在这里，引力不存在了，取而代之的是时空弯曲！
是的，这个世界根本就没有什么引力！只有时空弯曲！
地球之所以围着太阳转圈，是由于太阳的质量使得其周围的时空弯曲了，地球试图在走直线了，但因为时空本身弯曲了，所以走成了“曲线”！
惊世骇俗！无可想象！爱因斯坦确实走得太远了！我们差点跟不上他的步伐！人类科学的异端！要将牛顿的引力扔进历史的垃圾桶！
从狭义相对论到广义相对论，爱因斯坦用了10年的时间。其实，这在很大程度上是由于爱因斯坦开始并不知道黎曼几何而造成的。要是他早点懂得黎曼几何，相信广义相对论的诞生将会提前不少。爱因斯坦后来是从他的朋友格罗斯曼中知道了黎曼几何，并且狠狠恶补了一回，最终发现了广义相对论。
数学有用吧？数学厉害吧？数学重要吧？
按照广义相对论的推断，在巨大质量的周围，将发生严重的时空弯曲现象。如此说来，在太阳的周围，时空应该弯曲得有点厉害，那么本来走直线的光线在它周围也应该走的是曲线！本来那些被太阳遮挡的其他恒星的光线，由于来到太阳周围时发生了弯曲，反而可能可以看见了！这样我们只要看看是不是有这种匪夷所思的现象，就可以来验证广义相对论了！要是没有的话，否定后件！哈哈！一刀见血！
但是，在平常时，太阳光太强烈了，以致于把那些经过它周围的光都“淹没”了，根本就看不见！
我们得等一个日全食的好时机……
我们已经看到，物质告诉时空如何弯曲，而时空反过来决定物质的运动。这样一来，空间、时间、物质、运动就完美地统一到了一起。
1915年11月18日，爱因斯坦提出了广义相对论引力场方程的完整形式。经过计算发现，光线在通过恒星时的弯曲度为1。7４〃！这可是根据牛顿平直空间计算所得——0。87〃的两倍！
检验广义相对论的时机到了！
然而事与愿违，这时正处于“一战”的纷飞战火之中，这些实验根本就完成不了！
借这个机会，我们也稍微先转一下话题，喘一口气。
我们不曾忘记当年牛顿万有引力定律预言了海王星的存在！
这是一次里程碑式的预言！
这是一次让人类自豪的预言！
这是理论的一次伟大胜利！
这是人类的一次伟大跨越！
但是，当我们用牛顿定律去解释水星的一种奇特现象时，却并没有得到非常满意的结果，纵使误差很小。
对于水星来说，它是八大行星中距离太阳最近的一颗，而且人们还发现其实它的近日点是在不断改变的！什么是近日点呢？我们知道，椭圆是具有两个焦点的。而行星绕太阳转动的轨迹就是椭圆，也一样有两个焦点。而其中距离太阳较近的那个焦点就唤作近日点，而另一个较远一些的就叫做远日点。
水星的近日点是在变化的！是在进动的！变化有多大呢？
天文学家通过观测得出，是每一百年5600秒！
而5600秒中的5557秒都可以通过牛顿定律找到合理的解释因素。但是对于剩下的43秒却无法解释！
类似海王星的发现经历，法国天文学家勒维烈（就是前面发现了海王星的那个小伙子）预言，在水星附近还有一颗尚未发现的行星，正是这颗行星影响了计算结果！
人们把这颗未知的行星叫做火神星，或者是祝融星。（祝融就是我国古代传说中的火神）
然而，人们始终找不到那颗猜测中的火神星。
这也成为了一个谜团。一直要到广义相对论出世后才揭开神秘的面纱。
现在，当爱因斯坦从弯曲的时空出发，用广义相对论去计算时，他惊奇地发现，结果就是5600秒！分毫不差！这也反过来验证了广义相对论！
好生厉害的第一炮！
美妙的开局！伟大的胜利！
这又是人类智力的伟大创举！
而后来观测到的金星、地球等行星近日点的进动值也和爱因斯坦的计算值符合得相当好！
1916年，爱因斯坦发表了总结性的论文《广义相对论基础》，标志着广义相对论大厦的完整竣工！这次的论文还是发表在那本《物理学年鉴》上！
赞扬如潮水般涌来。
“如果爱因斯坦的理论被证实了，这点我想是绝对没有问题的，他将是20世纪的哥白尼！”普朗克如是说。
“广义相对论是人类思想史上最伟大的成就之一！”电子的发现者汤姆逊道。
……
回到光线弯曲的实验。
1916年，由于战争原因，落空了。
1918年，再次错失一次机会。
1919年5月29日，在南半球的中纬度地区将会有一次日全食，但战争依旧没有结束。
战争永远是人类文明的破坏者。无论如何，战争都意味着损失，永远不会有赢家！
和平是我们永恒的呼声！
幸运的是，英国两队科考队悄悄出发了（要知道，那时侯英国跟德国可是敌对国！英国人愿意去验证德国人的理论，这本身就存在很大的阻碍，这似乎也验证了一句话——“科学无国界”）。其中一支奔赴巴西的索布拉尔（Sobral），而另一支则要到西非的普林西比岛（Principe），普林西比岛队由英国剑桥大学教授、英国皇家天文学会的爱丁顿爵士率领。然而一开始，天公不作美，普林西比的天气情况非常糟，日全食那天更是浓云密布，细雨绵绵，几乎没有希是望了。不过，那可能只是“贵人出门招风雨”的缘故吧，当日全食快要开始之时，天气便好转起来，看来上帝似乎很期待这一次判决。
经过拍照、分析……
1919年11月6日，在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上，汤姆逊（上面说的电子的发现者）宣布了最终结果——爱因斯坦说对了！他说道：“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一——也许是最伟大的！诸位今天将要听到的发现，就是它的伟大创造之一。这不是发现了一个孤岛，这是发现了新的科学思想的新大陆！”，接着两队的率领人戴逊与爱丁顿就这次考察的结果作了报告。
确实是爱因斯坦的预言！
爱因斯坦胜利了！
广义相对论胜利了！
时空确实是弯曲的！
宇宙确实是按照广义相对论来运转的！
对于此事，全球媒体争相报道。英国《泰晤士报》采用了大标题“科学上的革命，宇宙的新理论——空间是弯曲的！”美国《纽约时报》——“爱因斯坦奠定了新物理学”……
事实上，后来的科学家认为，爱丁顿此次的结果还是存在很大误差的。爱丁顿得到的结果是1。61〃±0。30〃，而另一队的结果是1。98〃±0。12〃，与理论预言值相差甚远，而且他们处理数据的方法也是需要商榷的。不过，后来的实验更加精确地验证了广义相对论的预言。例如，在1973年6月30日的日全食，美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲进行了观测，并且对实验条件进行了严格控制，最终得到的结果是1。66〃±0。18〃。而在1974年和1975年间，福马伦特（A。 B。 Fomalont）和什拉梅克（R。 A。 Sramek）利用甚长基线干涉仪，利用射电源的微波来进行实验，结果得到了太阳边缘处射电源的微波被偏折了1。761〃±0。016〃。1984年的观测数据和广义相对论的预言数值之比为1。004±0。002。1991年的比值甚至达到了1。0001±0。0001。
除了水星进动、光线弯曲之外，引力红移实验、雷达回波的时间延迟实验、引力透镜等都支持了广义相对论。
如今，广义相对论业已成为了现代科学的支柱，在宇宙学、天体物理等诸多学科发挥了不可取代的作用。也产生了一堆令人费解、超乎大众想象的概念——黑洞、奇点、虫洞、时间旅行、引力波、宇宙弦……
就是在今天，人们对广义相对论的实验验证依旧没有停止。像正在筹备的、探测黑洞周围的时空弯曲的LISA（the Laser Interferometer Space Antenna）探测器，将探测引力波的LIGO（the Laser Interferometer Gravitational…Wave Observatory）探测器，月球激光测距，精确测量光线弯曲的LATOR计划，还有正在紧张进行中的、直接探测时空弯曲的引力探测器B……
在回到爱因斯坦身上之前，我们接着来看看那项非常庞大的引力探测器B实验。
美国东部时间2004年4月20日12时57分，历经40多年研发的美国引力探测器B（Gravity Probe B，简称GP…B）卫星在加州范登堡空军基地搭载波音的Delta 2型火箭升空。这是美国宇航局（NASA）资助约7亿美元、由美国斯坦福大学（Standford University）研制的科研项目，它将通过测量由地球引起的时空弯曲和由于旋转而引起的时空扭曲现象，从而检验爱因斯坦的广义相对论。
按照广义相对论，科学家们发现，由于地球质量的存在，将会使得周围的时空发生弯曲现象，他们将此称为“短程效应”（Geodetic effect）。除此之外，由于地球的自转，还会拖动周围的时空结构并发生扭曲现象，这又叫做“惯性系拖曳效应”（Frame dragging），这就有点像用绳子掉挂着一个旋转的小球，并把它放到豆浆里面，小球将会带动豆浆运动，这个效应之前从来没有被检验过。
而GP…B就是要测量这些现象，并给出最终的结论。
这个检验方案首先是由两位科学家George Pugh 和斯坦福大学物理学院的Leonard Schiff在1959年和1960年期间独立提出来的。1962年，现今GP…B的首席研究员Francis Everitt教授来到斯坦福大学。在1964年，NASA开始正式对这个计划实施资助。1982年，NASA完成了对GP…B方案的研究。1983年，斯坦福大学决定制造专门的杜瓦瓶（Dewar，也叫做真空瓶）。1999年，所需的陀螺仪（Gyroscope）和望远镜（Telescope）制造完成。2003~2004年间，所有工作接近尾声。最终，GP…B成功在4月升空。
这是一场马拉松式的科学研究。前后从实施到制造完成，用了40多年。在此期间，围绕GP…B产生了约100篇博士论文。当年参加该项目的小伙子现在已是白发苍苍的老教授。像Francis Everitt教授，刚接触GP…B时才28岁，如今早已年过花甲。
我们来看看GP…B是怎样检验广义相对论的预言的。
陀螺仪是一种自旋的仪器，它在处于自旋状态并指向一颗恒星后，可以保持自旋方向不变。然而在太空中，由于受到地球的“短程效应”和“惯性系拖曳效应”的影响，它的指向将会发生变化。我们只需要来测量这样一种微小的变化，就有机会来检验广义相对论了。
科学家解释说，由于GP…B卫星的轨道是极轨道（polar orbit），也就是说它每圈都会经过两极的上空，所以这两种效应是能够区分开来。具体而言，“短程效应”将会使得陀螺仪的自旋轴每年漂移0。0018度（这相当于在0。4千米之外看到人的头发丝的宽度），而“惯性系拖曳效应”则小得多——每年0。000011度。
为了达到这样的精度，实验对仪器的要求可想而知了。
首先来看那4个乒乓球大小的陀螺仪，它们由石英制造而成，直径3。8厘米，号称为有史以来人类所制造的最完美、最滚圆的球体，各方向上的尺度误差不超过40个原子的尺度，它的光滑表面跟CD的相比，就像CD的表面跟砂纸比较。而且必须要求这些陀螺仪在太空中不受到外力的影响，它们以电浮的形式保持在真空中，并且被放置在一个铅金属制成的包内。
而安置陀螺仪的杜瓦瓶被处于接近绝对零度（1。7开尔文，即零下271度）环境中。为了达到这�
