如何 推翻 相对论 ？广义 相对论 的 建立 和 实验 验证 (1)

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 在 上 一回 咱们 讲 了 狭义 相对论 的 基本原理 以及 它 的 核心 公式 洛伦兹 变换 有 小朋友 就 跟 我 说 你 就 直接 告诉 我 相对论 到底 能 不能 被 推翻 吧 其实 很多 科学家 都 对 相对论 提出 过 质疑 比如说 马赫 庞加莱 洛伦兹 等 人 但是 他们 都 没有 发现 相对论 真正 的 问题所在 这个 问题 是 爱因斯坦 自己 本人 发现 的 并且 在 1915 年 的 时候 提出 了 广义 相对论 进行 修正 那么 今天 就 带 着 大家 来 了解 一下 狭义 相对论 究竟 有 什么 问题 以及 什么 是 广义 相对论 我们 首先 来 讨论 第一个 问题 就是 爱因斯坦 在 1905 年 的 时候 提出 的 狭义 相对论 狭义 相对论 它 究竟 有 什么样 的 问题 有 什么样 的 问题 亟待 于 解决 狭义 相对论 有 两条 基本 假设 那么 第一条 假设 叫做 相对性 原理 就是 在 两个 惯性 参考系 中 物理 规律 是 保持 不变 的 那么 这里 就 涉及 到 一个 问题 什么 是 惯性 参考系 呢 惯性 参考系 如果 我们 打开 我们 的 中学 的 课本 的话 书上 是 这么 写 的 说 地球 可以 近似 看作 是 一个 惯性 系 太阳 是 比 地球 更好 的 惯性 系 银河系 中心 又 是 比 太阳 更好 的 惯性 系 但 究竟 什么 是 惯性 系 呢 它 也 没有 说 清楚 传统 的 观点 认为 所谓 惯性 参考系 指 的 是 什么 呢 指 的 是 这个 参考系 是 静止 或者 是 匀速直线 运动 的 参考系 静止 或者 匀速直线 运动 的 参考系 比如说 一个 匀速运动 的 火车 它 就是 一个 惯性 参考系 但是 这句 话 其实 是 存在 理论 问题 的 大家 发现 了 吗 静止 或 匀速直线 运动 相对 于 谁 静止 或 匀速直线 运动 呢 你 可以 说 相对 于 另外 一个 惯性 系 那 另外 一个 惯性 系 又 是 相对 于 谁 静止 或 匀速 呢 如果 你 这样 一直 导 下去 的话 这句 话 成立 的 前提 是 你 必须 默认 有 一个 绝对 静止 的 参考系 这 就 又 回到 了 牛顿 的 绝对 时空 理论 对 不 对 但 问题 是 爱因斯坦 已经 说 了 不 存在 绝对空间 所以 咱们 绝对 不 能够 使用 这种 方法 来 定义 惯性 系 这种 方法 不行 那 咱们 换 一种 说法 还有 人 说 所谓 的 惯性 系 就是 牛顿 第一 定律 成立 的 参考系 牛顿 第一 定律 成立 的 参考系 什么 叫 牛顿 第一 定律 呢 就是 物体 在 不 受力 的 时候 保持 静止 或 匀速直线 运动 你 只要 找到 了 一个 参考系 发现 这个 参考系 里边 有 一个 小球 这个 小球 它 不 受力 而且 做 静止 或 匀速直线 运动 这个 参考系 就是 惯性 的 这么 说 行不行 呢 不行 为什么 呢 因为 我们 没有 办法 找到 一个 不 受力 的 物体 你 说 我 在 宇宙 中 找 一个 石头 这个 石头 是不是 不 受力 那 不 一定 遥远 的 太阳 可能 会 对 这个 石头 有 这个 吸引力 这个 吸引力 你 看不见 也 摸不着 你 怎么 知道 它 不 受力 呢 所以 这种 说法 也 有 问题 既然 这些 说法 都 有 问题 爱因斯坦 就 反复 在 思索 惯性 参考系 的 概念 到底 是 什么 意思 如果 惯性 参考系 找 不到 的话 那么 相对性 原理 建立 在 惯性 参考系 之上 相对性 原理 不 就 有 问题 吗 这是 爱因斯坦 的 第一个 疑问 爱因斯坦 还有 第二个 疑问 就是 万有引力 万有引力 是 如何 理解 的 我们 现在 知道 说 自然界 有 这个 四种 基本 相互作用 强力 弱力 电磁力 万有引力 那 爱因斯坦 那个 时代 就 知道 两种 一种 叫 万有引力 一种 叫 电磁力 电磁力 已经 理解 得 非常 透彻 了 首先 由 麦克斯韦 方程组 描述 了 电磁波 的 形成 电磁波 可以 进行 传播 电磁波 传播速度 就是 光速 电磁波 的 这些 方程 还 满足 相对论 所以 电磁力 已经 基本上 解释 清楚 了 但是 万有引力 是 怎么回事 呢 首先 第一个 问题 如果 万有引力 产生 了 那么 是 什么 场 产生 了 万有引力 你 能 不能 把 这个 描述 万有引力 的 场 给 我 找到 第二 就是 你 通过 这个 场能 不能 给 我 描述 一个 波 就 像 电磁波 一样 说 这个 引力 的 传播 应该 像波 一样 你 能 不能 把 这个 波给 我 找到 而且 这个 场 和 这个 波它 必须 是 符合 相对论 的 是 协变 的 符合 相对论 的 爱因斯坦 做 了 很 多次 尝试 结果 发现 他 找 不到 一个 场 用来 理解 万有引力 找 不到 这样 的 一种 方式 把 万有引力 和 狭义 相对论 统一 起来 这 是 他 思考 的 第二个 问题 那么 为了 解释 这 两个 问题 爱因斯坦 苦苦 地 思索 了 十年 终于 在 十年 之后 的 1915 年 年底 的 时候 提出 了 广义 相对论 最 开始 的 时候 他 只管 他 的 理论 叫 相对论 后来 发现 他 的 狭义 相对论 有点 问题 于是 就 提出 了 狭义 和 广义 之分 什么 是 广义 相对论 呢 这个 理论 比较复杂 咱们 来说 一些 它 的 简单 原理 第一个 就是 等效 原理 等效 原理 爱因斯坦 有 一次 在 他 这个 回忆录 中说 到 有 一天 他 坐在 办公室 里边 思考 这个 相对论 的 问题 他 突然 就 想到 了 说 如果 有 一个 人 他 从 窗户 跳出去 他 跳楼 这个 时候 他会 有 什么 感觉 呢 他会 感觉 到 自己 的 身体 飘 了 起来 结果 他 一下子 就 悟 到 了 说 等效 原理 说 怎么 个 意思 我们 来看 一看 爱因斯坦 的 意思 什么 叫 等效 原理 他 说 假如 有 一个 人 手里 拿 了 一个 球 一 松手 这个 球 就 以 一个 加速度 比如说 重力 加速度 g 往下掉 你 说 这 是因为 啥 吧 它 有 两种 可能 第一种 可能 就是 我们 平常 认为 的 说 这个 人 他 站 在 地面 上 这个 人 他 站 在 地面 上 地球 是 对 这个 球有 引力 的 球 受到 了 一个 引力 的 作用 这个 引力 等于 mg 对 不 对 受到 引力 的 作用 因为 引力 的 作用 就 造成 了 加速度 这 就是 牛顿 第二 定律 对 不 对 但是 还有 一种 可能 这个 人 旁边 其实 并 没有 什么 星球 只不过 他 处在 一个 参考系 里 比如说 有 一个 电梯 里边 这个 电梯 正在 以 加速度 a 往上升 我们 学过 中学物理 的 同学 应该 知道 一个 电梯 加速 往上升 的 时候 电梯 里 的 物体 相对 于 电梯 就 会 有 一个 向下 的 加速度 因为 电梯 加速 上升 小球 不 加速 上升 所以 小球 相对 于 电梯 有个 向下 的 加速度 这个 向下 的 加速度 就 好像 小球 受到 了 一个 力 一样 这个 力 叫做 惯性力 惯性力 的 大小 等于 质量 乘以 加速度 那么 假如 这个 电梯 的 加速度 和 重力 加速度 g 是 一样 的 这个 时候 小球 看起来 也 是 往下掉 并且 加速度 是 g 就是说 你 旁边 没有 星球 但是 电梯 正在 往上 以 加速度 g 往上升 你 看起来 这个 小球 就是 以 g 加速 下降 的 这种 情况 下 没有 引力 但是 有 加速度 爱因斯坦 说 你 在 电梯 之中 你 能够 区分 我 这个 小球 加速 下降 是 由于 引力 造成 的 还是 由于 加速度 造成 的 吗 你 不能 区分 所以 引力 和 加速度 是 什么 的 是 等效 的 这个 就是 所谓 的 等效 原理 当然 后来 又 有 所谓 的 弱 等效 原理 强 等效 原理 等等 这些 说法 但是 基本 的 意思 就是 他 把 引力 和 加速度 等效 起来 了 你 感觉 自己 受到 了 引力 很 有 可能 你 没有 受到 这个 引力 而是 有 一个 加速度 反过来说 你 有 一个 加速度 之后 感觉 到 受到 惯性力 了 你 也 可以 认为 没有 加速度 而是 受到 一个 引力 这 两种 情况 我们 在 一个 电梯 的 里边 我们 是 没有 办法 进行 区分 的 在 1911 年 的 时候 爱因斯坦 还 发表 了 一篇 论文 做 了 一个 思想 实验 就是 爱因斯坦 电梯 他 说 假如 你 在 一个 电梯 里边 发现 有 一束 光射 到 电梯 内部 了 结果 这个 光 发生 了 弯折 那么 有 两种 可能 第一种 可能 就是 因为 这个 电梯 正在 加速 上升 第二种 可能 就是 因为 电梯 处在 一个 引力场 中 所以 引力场 也 是 可以 使 光线 发生 弯折 的 说 了 这么 一个 问题 那么 从 等效 原理 出发 爱因斯坦 就 可以 去 规定 什么 是 惯性 系 了 咱们 回头 想一想 那个 跳楼 的 人 那个 人 在 从 这个 楼上 跳下去 的 时候 他 受到 了 地球 的 万有引力 是 向下 的 同时 因为 他 有 一个 向下 的 加速度 所以 受到 一个 向上 的 惯性力 这 两个 力会 抵消 所以 这个 人 感受 的 是 失重 状态 也 就是 他 感觉 自己 好像 飘起来 了 一样 那么 在 这种 情况 下 我们 就 可以 把 这个 人 规定 为 一个 惯性 参考系 我 再说 一下 就是 传统意义 上 来讲 这个 人 如果 跳楼 的话 那 这个 人有 个 加速度 所以 他 不是 惯性 系 但是 爱因斯坦 说 此时 他 的 引力 和 惯性力 会 抵消 掉 所以 呢 所以 这个 人 就 可以 认为 他 是 一个 惯性 系 我们 把 它 完整 的 说 出来 从 等效 原理 出发 它 可以 定义 惯性 系 了 什么 叫 惯性 系 呢 就是 在 一个 引力场 中 比如说 地球 就是 一个 引力场 在 引力场 中 一个 做 自由 运动 而且 还 不 旋转 一 旋转 这个 事 就 不 太 对 了 一个 做 自由 运动 而且 不 旋转 的 参考系 是 什么 参考系 呢 就是 我们 刚才 所说 的 惯性 参考系 这样 爱因斯坦 就 找到 了 惯性 参考系 是 吧 就是 你 只要 在 引力场 中 你 做 自由 运动 而且 不 旋转 那 你 就是 一个 惯性 参考系 当然 严格 来讲 这个 惯性 参考系 还 必须 是 一个 特别 小 的 范围 才行 大 的 范围 还 不 可以 那么 爱因斯坦 就 解决 了 自己 当年 所 提出 的 第一个 疑问 那么 第二个 疑问 说 这个 引力 咱们 又 该 如何 去 理解 呢 爱因斯坦 也 提出 了 一种 说法 他 说 引力 是 一种 几何 效应 是 一种 几何 效应 这句 话 怎么 理解 什么 叫 几何 效应 呢 简单 来说 比如说 两点 之间 直线 最短 这 就是 几何 效应 对 吧 再 比如说 从 北京 到 纽约 你 不 可能 走 直线 过去 对 吧 你 得 在 地球表面 上 走 但是 在 地球表面 上 走 的 时候 你 也 是 有 一个 最短 的 线 的 我们 可以 管 这 条线 叫测 地线 是 吧 从 北京 到 纽约 有 一个 测 地线 不管 你 是 坐飞机 过去 还是 一个 小鸟 从 北京 飞 到 纽约 测 地线 都 是 这么 长 这 是 由 地球 本身 决定 的 这 就 叫 几何 效应 说 爱因斯坦 是 怎么 想到 引力 是 几何 效应 的 呢 他 回想到 这个 伽利略 的 自由落体 实验 伽利略 说 一轻 一重 两个 铁球 一起 往下掉 的话 同时 落地 对 吧 那么 为什么 会 同时 落地 它 质量 不 一样 为什么 同时 落地 呢 以前 我们 的 理解 是因为 引力 与 质量 成正比 所以 把 这个 质量 约 掉 加速度 就是 一样 的 爱因斯坦 换 了 一种 说法 他 说 也许 这个 自由落体 的 运动 就 好像 是 一个 四维时空 中 的 直线 一样 所有 的 物体 走 这个 直线 时间 当然 都 是 一样 的 因为 它 的 路径 都 是 完全相同 的 跟 这个 物体 自身 的 质量 就 没有 什么 关系 了 我们 为了 解释 清楚 这个 事 咱们 再 来说 一个 例子 比如说 太阳 地球 地球 在 围绕 太阳 一圈 一圈 的 旋转 对 吧 那么 在 四维时空 之中 我们 怎么 去 描述 这个 现象 呢 我们 来画 一个 四维时空 因为 黑板 上 我 只能 描述 出 三维 的 所以 我 就 把 平面 写成 x 和 y 完 了 纵轴 我 就 不 写 z 了 我 写成 一个 时间 t 对 吧 那么 这个 地球 围绕 太阳 一圈 一圈 转 同时 时间 还 在 流逝 因此 在 这个 坐标系 下 地球 的 这个 轨迹 就是 这样 的 大家 能 理解 吗 就是 你 的 这个 (x,y) 坐标 不停 地 变换 完 了 你 的 时间 t 在 一直 增长 是 吧