光线的弯曲
光会落下吗?牛顿和他同时代的人认为会,因为他们认为光是由小颗粒构成的。他们以后的物理学家并不这么肯定,毕竟你不能把光握在手中并感到它的重量。
爱因斯坦决定性地解决了问题,从而漂亮地展示了等价原理的威力。想要懂得这一点,还要去麻烦我们的朋友,她丝毫没意识到起居室正在深度空间加速。她想玩一个激光标定游戏。她打开激光器,一束光穿过房间,但地板根本不在乎她在干什么,正和往常一样地往上冲,愈来愈接近光束。我们的朋友很吃惊:光束竟然弯向了地板!
我们笑了,哈哈,她又被骗了!光并没有往下落,只是地板在往上冲!但根据等价原理,在深度空间加速的起居室中的物理和引力场中的物理是一样的。我们可以作结论: 引力使光弯曲,而这是正确的。
这样,等价原理一举解决了长期的争论。观测已经证明了结论是正确的:星光在从太阳附近经过时确实弯了一点点。
反引力
能有反引力吗?我曾看过一个解密的政府文件,研究敌对国家制造反引力飞机的可能性(真是令人同情,文件中列出了一些苏联集团研究引力的物理学家的名字。我知道他们中许多人是纯粹的理论家,叫他们解释一下普通飞机的工作原理都会很费劲)。
科幻小说作家喜欢诸如反引力这样的概念。但如果你相信等价原理,反引力就是不可能的。
论据仍是极为简单的。扔下一把物体,它们中能有往上掉的吗?不能。根据等价原理,你处在深度空间中加速的火箭里。这里仍然沿用老说法: 尽管你信誓旦旦,说它们正往下落。但对于飘在外面的观测者,是地板冲向上面去迎你扔下的物体。显然,如果等价原理是正确的,在引力场中不会有一个往上落的物体。
时间弯曲
从等价原理可以得到一系列令人吃惊的,做梦都想不到的效应。大概没有比空间和时间弯曲更能引起公众想像的了。但是爱因斯坦的快乐思想,看起来那么简单但又极为深刻,几乎立刻能引申到空间和时间的弯曲。
设想在引力场中不同位置的两个观测者,一个在地面,一个在塔顶。地面的观测者每秒向塔顶的观测者发一个光脉冲信号,塔顶的观测者测量两个信号到来的时间间隔——他们在比较时间流逝的快慢。
想像把整个的安排——包括地面及坐在那里的观测者,塔和高居其顶端的观测者——移到深度空间的加速飞船上。根据爱因斯坦的等价原理,这和在地球引力场中的情况是绝对没有区别的。现在就能容易地定性判断会发生什么了。在一个光脉冲趋近塔顶时,一直在加速的观测者却愈来愈快地远离,因此光脉冲需要多一点的时间到达塔顶的观测者。时间像是对两个观测者流动的速率不同。等价原理告诉我们,虽然地面和塔顶的观测者都坐着不动,他们也看到时间的不同流逝。
亲爱的读者,这就是时间弯曲的所有内容。虽然使人惊讶,但却不像某些科幻作家所希望的那样神奇。
空间弯曲
要了解为什么引力使空间弯曲,先想一下我们如何才能判断我们所处的三维空间是否弯曲。因为弯曲的三维空间很难想像,让我们设想一个在二维弯曲空间——也就是曲面中生活的二维小生物,他是如何判断他的空间是否弯曲的。
当我们想像一个曲面时,它是嵌入在或者说是包容在日常经验的三维空间中。作为三维空间的人,我们去看二维表面,很容易判断它是否弯曲。但二维生物不能脱离自己的世界到三维空间中来看他的世界,正如我们不能跳出我们的宇宙来看一看我们的三维空间一样。二维生物该怎么办呢?
答案就在我小时候感到困惑的一个古老谜语里。一个猎人往南走了一英里,转向东走了一英里,最后,他转向北方。走了一英里后,他回到原地,遇到了一只熊,将它射杀。这熊是什么颜色的?
谜语中提供的信息表明地球表面一定是弯曲的。对数学家而言,这个信息就是猎人足迹形成的三角形的三个角之和是90°+90°+90°=270°,它大于180°(见图2.2)。与此对照的是,在平面上画的三角形,其三个角之和是180°。这样,二维生物只需在他的空间中画一个三角形,量它三个角,看看加起来是否是180°就行。
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——纽约时报
徐一鸿通过他务实的、对话的风格成功地在逗人的故事中把科学带给了读者。
——旧金山纪事报