物理学的进化-第18章

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　　　　这个坐标系的局部性是很重要的。如果这个想象中的升降机的一端在北极，一端在赤道，而手帕放在北极，表放在赤道，则在外面的观察者看来，这两个物体的加速度不会相等，它们不会是相对地静止的。我们的全部推论便都瓦解了！升降机的尺度必须有一定的限制，然后才能认为一切物体的加速度相对于升降机外面的观察者都相等。　
　　　　虽然有了这种限制，里面的观察者还是认为这个坐标系具有惯性的性质。我们至少能同意一个所有的物理学定律在它里面都能应用的坐标系，不过在时间和空间上受限制而已。假如我们再想象另一个坐标系，即另一个对自由降落的升降机作直线匀速运动的升降机，那么这两个坐标系都会是局部惯性的。所有的定律在这两个坐标系中都完全一样。从一个坐标系过渡到另一个坐标系是用洛伦兹变换来表示的。　
　　　　我们试看升降机里面和外面的这两个观察者用什么方法来描述升降机里面所发生的事情。　
　　　　外面的观察者看到升降机的运动和机内一切物体的运动，发现它们与牛顿引力定律是一致的。在他看来，由于地球引力场的作用，运动不是直线匀速的，而是加速的。　
　　　　可是在升降机内出生和成长起来的一代物理学家，却会产生完全不同的想法。他们确信自己保有一个惯性系统，而把所有的自然定律都关联到他们的升降机，而且很有信心地说，在他们的坐标系中，定律都有一种特别简单的形式。他们会很自然地认为他们的升降机是静止的，而他们的坐标系是惯性的。　
　　　　要调解外面的观察者和里面的观察者的分歧意见是不可能的。他们每人都有权利把一切现象联系到自己的坐标系上去，两者都可以把各自看到的现象描述得完全一致。　
　　　　从这个例子中，我们可以看到甚至在两个并非作直线匀速运动的坐标系中的物理现象要作出一致的描述也是可能的。但是要作这样的描写，我们必须把引力考虑在内，它构成从一个坐标系过渡到另一个坐标系的“桥梁”。外面的观察者认为存在引力场，里面的观察者却认为不存在。外面的观察者认为存在着升降机在引力场中的加速运动，里面的观察者却认为升降机是静止的，而且引力场也是不存在的。但是引力场这个“桥梁”，使两个坐标系中的描述成为可能，这个桥梁架设在一个很重要的礅柱之上：引力质量和惯性质量的相等。如果没有这个经典力学所未曾注意到的线索，我们目前的论证就会完全失败。　　　
　　　　现在再来讲一个稍微不同的理想实验。假设有一个惯性坐标系，在它里面，惯性定律是有效的。我们已经描述过静止在这样的一个惯性坐标系中的一个升降机中所发生的事。现在我们把图改变一下，有人在外面把一根缆索缚在升降机上，再以一个不变的力照图上的方向拉（图63）。至于用什么方法拉是无关重要的。因为力学定律在这个坐标系中是有效的，这整个的升降机以不变的加速度朝着一个方向运动。我们再听一听升降机内外的观察者怎样解释在升降机里面所发生的现象。　
　　　　外面的观察者：我的坐标系是一个惯性坐标系，升降机以不变的加速度运动是因为有一个不变的力在作用。里面的观察者是在作绝对运动，力学定律对于他是无效的。他看不出不受外力作用的物体是静止的。如果释放一个物体，那么它立刻会碰在升降机的地板上，因为地板是朝着物体向上运动的。表和手帕也完全一样。我觉得很奇怪，升降机内的观察者的脚必须永远贴在“地板”上，因为当他跳起来的时候，地板又立刻会重新碰到他。　
　　　　里面的观察者：我不知道有什么理由可以相信我的升降机在作绝对运动。我同意，跟我的升降机紧密地联系着的坐标系实在不是惯性的，但是我不相信它与绝对运动有关。我的表、手帕以及一切物体的下降，是因为整个升降机都是在引力场中的缘故。我所观察到的运动和人们在地球上所看到的完全一样，人们很简单地用引力场的作用来解释地球上的物体下落的运动，我也是如此。　
　　　　这两种描述（一种是由外面的观察者所作，另一种是由里面的观察者所作）都很能自圆其说，因而我们不可能决定哪一个是正确的。我们可以采用其中任何一种来描写升降机中的现象：或是依照外面的观察者所主张的，升降机作非匀速直线运动而没有引力场，或者依照里面的观察者所主张的，升降机静止，却有引力场。　
　　　　外面的观察者可以认定升降机是在作“绝对的”非匀速直线运动，但是一个被作用有引力场的假定所驳倒的运动决不能看作是一个绝对运动。　
　　　　也许我们能从这两种不同描述中的含糊之处找到一条出路以决定哪一种对，哪一种不对。设想有一束光穿过一个侧面窗口水平地射进升降机内，并且在极短时间之后射到对面的墙上。我们再看这两个观察者怎样预测光的路径。　　　
　　　　外面的观察者由于相信升降机在作加速运动，他断定：光线射进窗内之后是水平地以不变的速度沿着直线向对面的墙上射的。但是升降机正在朝上运动，而在光朝墙而射的时间内，升降机已经改变了位置。因此光线所射到的点不会与入口的点恰恰相对，而会稍微低一点（图64）。这个差异是很小的，可总是有的，　
　　　　于是相对升降机而言，光线不是沿着直线，而是沿着稍微弯曲的曲线行进的。　
　　　　产生差异的原因是当光线经过升降机内部时，升降机本身已移动了一段距离。　
　　　　里面的观察者由于相信升降机内的一切物体都受到引力场的作用，他说：升降机的加速运动是没有的，只有引力场的作用。光束是没有质量的，因此不会受到引力场的影响。假如它是朝着水平的方向射去，它就会射到与人口的点恰恰相对的一点上。　
　　　　从这个讨论看起来，似乎有可能在这两种相互矛盾的观点中选择一种，因为这两个观察者对于同一个现象的解释是不同的。假使刚才所指出的两种解释都没有什么不合理的地方，那么我们前面的全部论证都会受到破坏，我们就不能用两个并立的方法，一种用引力场，另一种不用引力场，来描写一切现象。　
　　　　但是幸而里面的观察者的推理中有一个严重的错误，才挽救了我们前面的结论。他说：“光束是没有质量的，因此不会受到引力场的影响。”这是不正确的！光束具有能，而能具有惯性质量，但是任何惯性质量都受引力场的吸引，因为惯性质量和重力质量是相等的。一束光在引力场中会弯曲，正如以等于光速的速度水平地抛出的物体的路线会弯曲一样。假如里面的观察者作出正确的推理，他把光线在引力场中受弯曲的事实考虑进去，那么他的结果会与外面的观察者的结果完全一致。　
　　　　地球的引力场对于使光线弯曲的力自然是太弱了，不能用实验直接证明光线在地球引力场中的弯曲。但是在日蚀时所完成的著名实验，则间接而确实地证明了引力场对光线方向的影响。　
　　　　从这些例子中可以看出，要建立一种相对论物理学是很有希望的。但是要这样做，我们必须首先对付引力问题。　
　　　　在升降机的例子中我们已经看到两种描述的并立性。可以假定非匀速运动，也可以不假定。我们可以用引力场来从这些例子中排斥“绝对的”运动。但是那样一来，非匀速运动就一点也不绝对了。引力场是完全能够把它排除掉的。　
　　　　我们可以把绝对运动和惯性坐标系的鬼魂从物理学中赶出去，从而建立一个新的相对论物理学。我们的理想实验指出了广义相对论的问题怎样和引力问题有密切的关系，并且指出了为什么引力质量和惯性质量的相等对这一关系会是这样重要。很明显，广义相对论中引力问题的解和牛顿的解一定是不同的。引力定律，正像所有的自然定律一样，必须对所有可能的坐标系都能成立，而牛顿提出的经典力学定律则只有在惯性坐标系中才是有效的。　
几何学与实验　
　　　　下面一个例子比下落的升降机例子还要奇特。我们必须接触到一个新的问题，即广义相对论与几何学之间的关系。我们先来描写一个另外的世界，在那里面生存着二维的生物，而不是像我们的世界里那样生存着三维的生物。电影已经使我们习惯于感受表演于二维银幕上的二维生物。我们现在设想银幕上的这些影子（出场人物）是实际存在的，他们有思维的能力，他们能创造他们自己的科学，二维的银幕就是他们的几何空间。这些生物不能具体地想象一个三维空间，正如我们不能想象一个四维世界一样。他们能够折转一根直线，知道圆是什么，但是不能做一个球，因为这就等于丢弃了他们的二维银幕。我们的处境也相类似，我们能够把线和面折转和弯曲过来，但是我们很难想象一个转折或弯曲的三维空间。　
　　　　这些“影子”通过生活、思维和实验，最后可以精通二维欧几里得几何学的知识。于是他们能证明三角形的内角之和为180度。他们能够作出有公共圆心的一大一小的两个圆。他们会发现，两个这样的圆的圆周之比等于它们的半径之比，这种结果正是欧几里得几何学的特征。如果银幕无限大，这些“影子”会发现，若笔直往前旅行，他们永远也不会回到起点。　
　　　　现在我们想象这些二维生物的环境改变了。我们再想象有人从外面，即从“第三维”，把他们从银幕上迁移到具有很大半径的圆球上。假如这些影子比起全部球面来是极小的，假如他们无法作遥远的通信，又不能走动得很远，则他们不会感觉到有什么变化。小三角形的内角之和仍是180度。具有共同圆心的两个小圆，其半径之比仍等于其周长之比。他们沿着直线旅行，还是不会回到他们的起点。　
　　　　但是假设这些影子慢慢发展起他们的理论和技术知识。假使他们有了交通工具，能够很快地通过巨大的距离。他们便会发现，笔直往前旅行，最后还是会回到他们的起点。“笔直往前”就是沿着圆球的大圆走去。他们也会发现，具有公共中心的两个圆，假如一根半径很小，另一根很大，则其周长之比不等于其半径之比。　
　　　　假如我们的二维生物是保守的，假如他们在过去几代所学的都是欧几里得几何学，那时候他们不能往远处旅行，那时候这种几何学跟观察到的情况是相符的，那么，尽管他们的测量有明显的误差，他们必然要尽可能去维护这种几何学。他们力求让物理学来挑起这些矛盾的重担。他们想寻找一些物理学上的理由，例如温度之差来解释线的变形，说这种变形使测量结果与欧几里得几何学不符了。但是他们迟早总会发现，有一种更合理、更确切的方法来描述这些现象。他们最后会懂得他们的世界是有限的，还有着与他们所学的有很大区别的几何学原理。他们即使没有能力把这些原理想象出来，但会知道，他们的世界是一个圆球上的二维表面。他们将很快地去学新的几何学原理，这些原理虽与欧几里得的不同，但是对他们的二维世界仍然是一致的，合乎逻辑的。下一代的二维生物便学到圆球的几何学知识，他们会觉得旧的欧几里得几何学似乎是更复杂和牵强，因为它与观察到的情况不符。　
　　　　我们再回到我们的世界中的三维生物上来。　
　　　　说我们的三维空间具有欧几里得性，这是什么意思呢？这句话的意思是说所有欧几里得几何学理论上证明了的命题，都能够用实际的实验加以验证。我们能够利用坚硬的物体或光线作出符合于欧几里得几何学中理想形体的实际形体来。一把尺的边缘或一束光都相当于一条线。用很细的坚硬的杆所构成的三角形的内角之和等于180度。用两根很细的弹性金属线所构成的同心圆的半径之比等于其周长之比。欧几里得几何学用这个方式来解释以后，便成了物理学的一章，不过这是很简单的一章。　
　　　　但是我们可以认为矛盾已经找到了：例如由杆（有许多理由都认为它们是坚硬的）构成的大三角形内角之和不再等于180度了。因为我们已经习惯于用坚硬的物体来具体表示欧几里得几何学的观念，那么我们也许要寻找一些物理的力来解释我们的杆的这种意料不到的变形。我们力求发现这种力的物理性质，以及它对其他现象的影响。要挽救欧几里得几何学，我们会归罪于实际形体的不坚硬，会归罪于实际形体与欧几里得几何学中的形体不完全相符。我们要设法寻找一种更好的物体，它表现得和欧几里得几何学所期望的完全一致。可是，假如我们不能把欧几里得几何学和物理学结合成一个简单一致的图景，那么我们必须放弃关于我们的空间是欧几里得性的观念，并且要将我们空间的几何性质作更普遍的假设以便寻求更确切的“实在”的图景。　
　　　　这个必要性可以用一个理想实验加以说明，这个实验告诉我们，一个真正的相对论物理学不能建筑在欧几里得几何学的基础上。我们的论证要引用已经知道的惯性坐标系和狭义相对论的结果。　　　
　　　　设想一个大圆盘，上面画着两个同心圆，一个很小，另一个非常大。圆盘很快地旋转。圆盘是相对于外面的观察者转动的，假设圆盘里面还有一个观察者。我们再假定外面的观察者的坐标系是惯性的。外面的观察者也可以在他的惯性坐标系中画出同样一大一小的两个圆，这两个圆在他的坐标系中是静止的，但与圆盘上的圆相重合。他的坐标系是惯性的，因此欧几里得几何学在他的坐标系中是有效的，他会发现两圆周之比等于其半径之比。但是在圆盘上的观察者又发现了什么呢？从经典物理学和狭义相对论的观点看来，他的坐标系是禁用的。但是假如我们想为物理学定律找出能适用于任何坐标系的新形式，那么我们必须以同样严肃的态度来对待圆盘上和圆盘外的观察者。现在我们是从外面来注视圆盘里面的观察者，看他如何靠测量去寻找旋转的盘上的周长与半径。他所用的小尺，与外面的观察者所用的是一样的。所谓“一样的”，是指实实在在一样的，就是说它是由外面的观察者交给里面的观察者的，或者说，它是在一个静止的坐标系中长度相同的两把尺中的一把。　
　　　　里面的观察者在盘上开始测量小圆的半径与周长，他的结果一定会与外面的观察者的完全一样。圆盘围绕着它旋转的轴通过圆盘的中心，圆盘上接近于中心的那些部分的速度非常小。如果圆是足够小，那么我们完全可以放心地使用经典物理学而不必顾及狭义相对论。这就是说，对于里面的和外面的观察者来说尺的长度是一样的，因而对这两个观察者来说，两种测量的结果将是一样。现在盘上的观察者又来测量大圆的半径。放在半径上的尺相对于外面的观察者是在运动的。但是因为运动的方向跟尺垂直，这样尺不收缩，因而对两个观察者来说，它的长度是一样的。这样，对这两个观察者来说，三种测量结果都相同：两个半径和一个小圆的圆周。但是第四种测量则不然，两个观察者所测的大圆的周长是不相同的。放在圆周上的尺，朝着运动的方向，因此依照外面的观察者的观测，比起他的静止的尺来，现在它显得收缩了。外圆的速度较内圆的大得多，因而必须计及这种收缩。因此如果应用狭义相对论的结果，我们的结论应该是这样