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光子显微镜大讨论-----看我笑傲《光学在线》
爱因斯坦的第四假设是其第一假设的推广。它可以这样表述:自然法则
在所有的系中都是相同的。不可否认,宣称所有系中的自然规律都是相同的
比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更自然。但是我们不知道(外
部)是否存在一个伽利略系。
这个原理被称作广义相对论原理。
死亡电梯:让我们假想一个在摩天大楼内部自由下落的电梯,里面有一
个蠢人。这人让他的表和手绢同时落下。会发生什么呢?对于一个电梯外以
地球为参照系的人来说,表、手绢、人和电梯正以完全一致的速度下落。(让
我们复习一下:依据等同性原理,引力场中物体的运动不依赖于它的质量。)
所以表和地板,手绢和地板,人和表,人和手绢的距离固定不变。因此对于
电梯里的人而言,表和手绢将呆在他刚才扔它们的地方。
如果这人给他的手表或他的手绢一个特定的速度,它们将以恒定的速度
沿直线运动。电梯表现得象一个伽利略系。然而,这不会永远持续下去。迟
早电梯都会撞碎,电梯外的观察者将去参加一个意外事故的葬礼。
现在我们来做第二个理想化的试验:我们的电梯远离任何大质量的物体。
比如,正在宇宙深处。我们的大蠢蛋从上次事故中逃生。他在医院呆了几年
后,决定重返电梯。突然一个生物开始拖动这个电梯。经典力学告诉我们:
恒力将产生恒定的加速度。(对于非常高速的情况这条规律不适用。因为一
个物体的质量随速度增加而增大。在我们这个试验中我们假定它是正确的。)
由此,电梯在伽利略系中将有一个加速运动。
我们的天才傻瓜呆在电梯里让他的手绢和手表下落。电梯外伽利略系中
的人认为手表和手绢会撞到地板上。这是由于地板因其加速度而向它们(手
绢和手表)撞过来。事实上,电梯外的人将会发现表和地板以及手绢和地板
间的距离以相同的速率在减小。另一方面,电梯里的人会注意到他的手表和
手绢有相同的加速度,他会把这归因于引力场。
这两种解释看起来似乎一样:一边是一个加速运动,另一边是一致的运
动和引力场。
让我们再做一个实验来证明引力场的存在。一束光通过窗户射在对面的
墙上。
我们的两位观察者是这样解释的:在电梯外的人告诉我们:光通过窗户
以恒定的速度(当然了!)沿一条直线水平地射进电梯,照在对面的墙上。
但由于电梯正在向上运动,所以光线的照射点应在此入射点稍下的位置上。
电梯里的人说:我们处于引力场中。由于光没有质量,它不会受引力场
的影响,它会恰好落在入射点正对的点上。
噢!问题出现了。两个观察者的意见不一致。然而在电梯里的人犯了个
错误。他说光没有质量,但光有能量,而能量有一个质量(记住一焦耳能量
的质量是:M=E/C2)因此光将有一个向地板弯曲的轨迹,正象外部的观察者
所说的那样。
由于能量的质量极小(C2=300,000,000×300,000,000),这种现
象只能在非常强的引力场附近被观察到。这已经被证实:由于太阳的巨大质
量,光线在靠近太阳时会发生弯曲。这个试验是爱因斯坦理论(广义相对论)
的首次实证。
从所有这些实验中我们得出结论:通过引入一个引力场我们可以把一个
加速系视为伽利略系。将其引伸,我们认为它对所有的运动都适用,不论它
们是旋转的(向心力被解释为引力场)还是不均匀加速运动(对不满足黎曼
(Riemann)条件的引力场通过数学方法加以转换)。你看,广义相对论与实
践处处吻合。
上述例子取自 L’’évolution des idées en Physique 爱因斯坦和
Leopold Infeld 著。这是一本伟大的书。如果你对相对论物理有兴趣,不
妨一读,奇妙极了!?
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