讀古今文學網 > 時間的形狀 > 等效原理 >

等效原理

「啊——」愛因斯坦一聲驚叫,從椅子上跳起來,他驚醒了,一身冷汗。

剛才的夢實在太深刻了,幾乎歷歷在目。「加速度和重力等效,加速度和重力等效,加速度和重力等效……」愛因斯坦一聲比一聲大地念了三遍,他得到了一生中最快樂的想法。此時,哈勒也走進了愛因斯坦的辦公室,顯然他聽到了愛因斯坦的叫聲。

哈勒:「小愛,發生什麼事了?」

愛因斯坦衝過去一把抱住哈勒:「那個問題我想明白了,哈哈,哈哈哈!」

哈勒推開愛因斯坦:「別激動別激動,你說的是哪個問題?」

愛因斯坦:「慣性系。明白了嗎?慣性系。上帝這個老頭子不偏心,這個世界又回到了民主的世界,所有的參考系都是平等的。現在我們可以大聲地宣佈:在任何參考系中,所有物理規律保持不變。只要在這個前面加上一個等效原理的前提即可。」

哈勒一臉茫然:「我不明白。」

愛因斯坦:「加速度和重力,也就是加速度和萬有引力,它們是完全等效的。請想一下,局長,如果你被關在一個密閉的電梯中睡著了,當你醒過來的時候,你如何區分自己是在太空中做著加速運動還是在靜止的地面上呢?你能不能用做任何物理實驗的方法,判斷自己是靜止地待在地面上,還是在太空中加速上升?」

哈勒仔細想了一下:「好像是不能。」

愛因斯坦:「反過來,如果你醒來的時候,發現自己漂浮在電梯中,請問,你能區分自己是在太空中失重了,還是電梯在地球引力場中做著自由落體運動嗎?你能用做任何物理實驗的方法,區分這兩種狀態嗎?」

哈勒又仔細想了想:「很對,確實完全無法區分,不可能用實驗的方法來知道自己的確切狀態。」

愛因斯坦:「因此說,加速度就是引力,引力就是加速度,它們在物理性質上是完全等價的,這個我稱之為等效原理。對於任何參考系來說,我們都可以把它分解為一個在引力場中的慣性系來考慮,這樣一來,所有的參考系就平等了,參考系與參考系之間就沒有任何區別了。比方說,你在地球上一列勻速直線運動的火車中做物理實驗,我可以理解為是在一個施加了地球引力的慣性系中做實驗;同樣,如果我在太空中一部加速上升的電梯中做實驗,假設上升的加速度剛好等於地球的重力加速度的話,那麼在沒有等效原理之前,我們只能認為這部電梯不是一個慣性系,但是現在,我們可以看成是在一部地球上的、靜止的電梯中做實驗。再比方,如果我們在地球上一部加速上升的電梯中做實驗,我們也可以等效地認為,是在太陽上一部勻速上升的電梯中做實驗,假設電梯的加速度與地球引力之和剛好與太陽的引力相同的話。你看,有了這個等效原理後,我們就可以把任何非慣性系都轉換為慣性系,只要額外處理一個引力場的影響即可。」

哈勒:「那做勻速圓周運動的參考系也能做同樣的轉換嗎?」

愛因斯坦:「當然可以,你想像一下,現在你處在一個密閉的鏈子球裡面,我把你甩起來,你會感到一股無形的力把你貼在外壁上,這個力就是向心力,但是對於在密閉的球中的你來說,是無法區分這是向心力還是引力的,如果我在太空中甩這個鏈子球,那麼你就會感覺跟在地球上靜止時一樣,受到同樣的重力。因此,只要考慮了引力場,任何參考系,不論是加速還是減速直線運動,還是非直線運動,都可以分解為慣性系不變、引力在發生變化。因此,最重要的是我們要找出一個引力場方程來。在狹義相對論中,我們只研究了時間、空間、運動這三者的關係,現在我們必須再加入一個重要的對象,那就是——引力!」

哈勒若有所思地點點頭:「我開始明白了。」

愛因斯坦為了這個快樂的想法高興了很多天,每天都覺得思路比上一天更加清晰,在引力這條路上開始往前探索,無數嶄新的風景一下子湧過來,很多過去想也沒想過的問題接踵而至,讓愛因斯坦有一點應接不暇。

愛因斯坦首先通過一個思維實驗,很容易就得出了引力會使得光線彎曲的結論。你可能覺得非常難以理解,光線怎麼可能彎曲呢?我們從來也沒有見過手電筒打出去的光有任何一絲一毫的彎曲,其實那一切不過是光的速度太快,彎曲的程度太低,令我們的眼睛無法察覺。我可以用一個思維實驗很容易就向你證明——光,是不可能在任何時候都走直線的。

請閉上你的眼睛,跟我一起來想:假設現在你在一部做著自由落體運動的電梯中,你會感覺到失重,所有的東西在你身邊都漂浮起來。你隨手從口袋裡拿出一個玻璃球,在眼前鬆手,你會看到玻璃球在眼前漂浮起來;你輕輕地一彈,玻璃球在你眼皮底下以勻速直線運動朝前飛去。這一切都如此正常,天經地義。

現在我是站在地面上的一個觀察者,我看到的情況就完全不同了,假設電梯是透明的,我會看到什麼呢?我會看到那個在你面前做勻速直線運動的玻璃球,以一個拋物線的軌跡下落。

【圖5-1】不同參考系的人看到的小球飛行路線不同

這個情景就如同你在運動的火車上從窗口扔出一個物體,你自己看到這個物體直線下落到地上,可是站台上的人來看,物體是一個拋物線運動。這一切都是如此正常,天經地義。

那麼,再次閉上你的眼睛,還是回到那部失重的電梯中,你打開手電筒,一束光從你的手裡打出去,請把這束光想像成是一個小球。請問,這束光對你而言是不是做著勻速直線運動呢?如果是,那麼對於地面上的觀察者我而言,這束光就必定也是個拋物線。如果你覺得這想不通,你一定要認為地面上的我看到的光是直線而不是拋物線,那麼,如果我看到的是直線,你看到的就一定是向上彎曲的拋物線了,別忘了,你正在不停地下落呢。換句話說,我們倆不可能同時看到光走的是一條直線,要麼你看到的是拋物線,要麼我看到的是拋物線,只能二選一。

【圖5-2】如果地面上的人看到的是直線,那麼電梯中的人看到的就是曲線

稍稍經過思考後,所有人都會選擇後者,也就是從地面上的觀察者來看,光走的路線跟小球一樣也是拋物線。只是光的速度太快了,這根拋物線拉得很長很長,因此彎曲度很低很低,我們的肉眼根本察覺不出來。但是我們都應該能達成共識,那就是地球的引力確實會使光線彎曲。

那麼顯然,既然地球的引力可以使光線彎曲,那麼所有的引力場應當都會使得光線彎曲,我們這個地球不應當有什麼例外的特權。引力越大,光線也就彎曲得越厲害。再根據等效原理,加速度就是引力,引力就是加速度,因此,加速度同樣會造成光線的彎曲。

【圖5-3】地球的引力會使經過地球附近的光線彎曲