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太空大圓盤

這個世界已經變得越來越神奇了,連光線都不再是直的,但這又不由得我們不信。還有更神奇的,愛因斯坦用一個非凡的思維實驗論證了這樣一個事實:引力其實造成的是時空彎曲,也就是時間和空間同時被彎曲了。這下你的腦袋徹底暈了,你完全無法想像出時間和空間彎曲是什麼概念,如果我說時間變慢,甚至說時間膨脹、空間收縮什麼的,你大概覺得還馬馬虎虎能想像得出來,但是這個時空彎曲實在太令人費解了。別慌,愛因斯坦這個非凡的思維實驗叫作「愛因斯坦圓盤實驗」。「有趣啊,」你心裡想,「前有牛頓水桶實驗,後有愛因斯坦圓盤實驗。乾脆我們把有趣進行到底,把Tom和Jerry再次請出來吧。」你的主意很好,我這就請出這兩位小傢伙,這回讓他們擔任愛因斯坦的學生,一起來做這個思維實驗。

愛因斯坦:「歡迎Tom和Jerry來到我的廣義相對論大講堂,本次講課包你們滿意。」

Tom托著腮幫子:「我討厭上課。」

Jerry瞇著眼睛:「能再睡會兒嗎?」

愛因斯坦:「你們聽我說,這堂課我們不在教室裡上,我們去太空中上,怎麼樣?」

Tom和Jerry:「太空?哇,太好了!怎麼去?快走快走。」

愛因斯坦:「請你們閉上眼睛,準備好了嗎?般若波羅蜜!」

Tom和Jerry突然感到自己漂浮起來了,睜開眼睛一看,三人已經懸浮在漆黑的太空中了,四面八方全是星光點點。

愛因斯坦:「現在,我需要把你們倆放到一個特殊的、非常好玩的轉盤遊樂機裡面去。」

Tom和Jerry:「在哪裡?在哪裡?」

愛因斯坦:「巴巴變!」

突然,三人眼前突然出現了一個巨大的轉盤,就好像一個超級巨大的圓形餅乾鐵盒。

愛因斯坦:「這就是我們要去上課的地方,你們倆進去。因為我是這裡的上帝,所以,你們倆的一切行動我都能看見,你們能聽到我說的話,我也能聽見你們說話。好了,現在給你們發道具,一人一隻原子鐘和納米尺,這可是全世界最精確的時鐘和量尺,千萬要保護好。」

Tom和Jerry接過鍾和尺,丈二和尚摸不著頭腦,完全不知道愛因斯坦教授有何用意。先進去再說,看看有什麼好玩的。於是兩人抓著「餅乾盒」的門框,稍一用力,輕輕巧巧地就漂進去了。

【圖5-4】愛因斯坦圓盤實驗

愛因斯坦:「Tom,現在請你在圓盤的內壁上就位;Jerry,請在圓盤底的圓心就位,我們的實驗馬上就要開始了。」

Tom:「這讓我想起了我家關小白鼠的籠子裡那個輪盤。」

Jerry:「這讓我想起了我小時候最喜歡玩的東西。」

愛因斯坦:「請注意,我馬上就要把它旋轉起來了,你們準備好了嗎?」

Tom和Jerry:「準備好了。」

愛因斯坦手一揮,整個轉盤飛快地轉動起來。

Tom由於是在圓盤的內壁位置,瞬間就感受到向心力。從我們觀眾的角度來看,他感受到的是向心力,但是對Tom自己來說,他根本分不出是重力還是向心力。且看我們的Tom怎麼說。

Tom:「啊哈,我們是不是回到地球上了?我突然就感覺回到了地面,能正常走路了。」

愛因斯坦轉身面向觀眾,解釋說:「勻速圓周運動的實質是一種加速運動,根據我的等效原理,加速度和重力是一回事,所以Tom感受到了像在地球上一般的重力感。」

Jerry站在圓心的位置,所以他相對觀眾來說是靜止的,Tom在Jerry周圍一圈圈地轉著。且看我們的Jerry是怎麼說的。

Jerry說:「我沒有感覺到任何變化,這裡能見度不夠,我甚至連Tom都看不到。」

愛因斯坦再次轉向觀眾,解釋說:「Jerry就好像處在引力的邊緣一樣,他此時仍然是懸浮在太空中的,沒有受到任何引力的影響。我們用這樣一個旋轉的圓盤創造了一個小小的人工引力場環境。接下去,我們就要研究這個引力場對我們的時間和空間到底造成了什麼樣的影響。先讓我們來研究一下相對比較容易研究的時間問題。」

愛因斯坦轉過身去對兩人問道:「Tom和Jerry,請你們告訴我,你們的原子鐘的時間是多少?」

Tom:「11點55分,教授。」

Jerry:「12點整,教授。」

愛因斯坦解釋說:「很好。大家請注意,Tom相對我們在運動,而Jerry相對我們則是靜止的,根據狹義相對論的時間膨脹效應,運動會使得時間變慢,因此,我們可以很容易得出結論,那就是Tom的時間變慢了。但現在請大家把視角放回到Tom身上,對Tom來講,他感覺自己並未運動,只不過是受到了引力而已,因此Tom可以得出這樣的結論——引力使得時間膨脹了。讓我們繼續往下深入研究。」

愛因斯坦對Jerry說:「Jerry,現在我要你沿著圓盤上的徑線往前去一點點。」

Jerry往前挪了一點點,突然就感受到了一點輕微的引力,這股引力在把他向遠處拖拽,Jerry趕緊打開了綁在腰上的推進裝置,以維持平衡。

愛因斯坦:「Jerry,請你再告訴我你的時間。」

Jerry報了一個精確的數字,愛因斯坦發現比自己的原子鐘慢了1秒鐘。

愛因斯坦:「很好。Jerry,請你繼續沿著徑線朝前挪一點,跟剛才挪動的距離一樣,再告訴我時間。」

Jerry照做,又報了一個精確的數字。

這次比愛因斯坦的原子鐘時間慢了2.5秒。

愛因斯坦繼續指揮著Jerry一點點朝前挪動,每挪一段距離,就報一個時間,愛因斯坦記下每次Jerry時間變慢的幅度。

愛因斯坦解釋說:「Jerry的時間為什麼會變慢,道理很簡單,Jerry一旦離開了圓心,他就會產生速度,所以時間就會變慢,而且他的線速度是隨著離開圓心的距離不斷增大的,因此他的時間變慢幅度就會逐步增大。現在讓我們構建一個笛卡爾坐標系,把X軸當作距離的變化,Y軸當作時間變慢的幅度大小,然後我們把剛才Jerry告訴我的所有數據用一個個點標在這個坐標系裡,最後把這些點用線連起來,我們很快就會發現,這是一根拋物線,一根完美的曲線。換句話說,隨著離開圓心的距離增大,引力會逐步增大,而時間會逐步變慢,但時間變慢的幅度是一根曲線。我們可以這樣理解,在圓盤上時間彎曲了;進一步說,也就是引力使得時間彎曲了。」

你禁不住鼓起掌來,太精彩了,愛因斯坦不愧是大師級人物啊,我似乎明白了時間彎曲是怎麼回事了。繼續繼續,那空間彎曲又該怎麼理解呢?

愛因斯坦:「Tom和Jerry,請拿出你們的納米尺,不要告訴我你們弄丟了,那一把尺子可要花去教授我一個月的薪水呢。」

Tom:「教授,尺子在手裡呢,讓我做什麼?」

Jerry:「這把尺子真好看。」

愛因斯坦:「Jerry,我要你現在開始量一下圓盤的半徑長度。Tom你呢,就幫我量一下圓盤周長,就是你剛好走一圈的長度。」

不一會兒,兩人都把數字報過來了。愛因斯坦用Tom量的周長除以Jerry量的半徑,得出的數字發現比2π要大,這是怎麼回事?

愛因斯坦解釋說:「請注意,從我們觀眾的角度看起來,Tom由於在運動,那麼根據狹義相對論,在運動方向上就會發生尺縮現象,所以Tom手裡的那根納米尺就會縮短一點點。而同時,Jerry是在沿著徑線方向丈量,在這個方向上,納米尺沒有運動,自然也就不會發生尺縮現象。於是,Tom量出來的周長就會比靜止時長一點點,而Jerry量出來的半徑則不會變化。於是,奇怪的事情發生了,這個轉動的圓盤的圓周率大於π。我們進一步想下去,在這個圓盤的人造引力場中,所有以Jerry為圓心的半徑不同的圓都可以用同樣的方法得出圓周率大於π 的這個驚人事實。觀眾們,你能告訴我在什麼情況下一個圓的圓周率大於π嗎?」

一個聰明的觀眾說道:「我知道,我知道。」

愛因斯坦:「請講。」

觀眾:「圓規的質量不過關,不小心把圓畫成了橢圓的情況下。」

愛因斯坦:「拜託,我們這不是腦筋急轉彎呢,不考慮這種意外誤差情況。」

觀眾一臉不好意思:「那我就不知道了。」

愛因斯坦:「如果你在一張紙上畫一個標準的圓,圓周率自然是π。但是,如果你在一個籃球上畫一個標準的圓,然後去測算一下的話,就會發現籃球上那個圓的圓周率小於π。同理,如果你在一個馬鞍面上畫一個標準的圓,則圓周率就會大於π。觀眾們,我們的結論就是,如果在一個曲面上畫圓,圓周率就不會等於π。由此可見,在圓盤引力場中,我們發現圓周率大於π,這說明這個圓盤引力場中的空間並非平直,而是——彎曲的。」

【圖5-5】平面上的圓、球面上的圓、馬鞍面上的圓

你再一次禁不住鼓起掌來,真是精彩啊!其實我在理解了愛因斯坦的這個圓盤實驗後,也是禁不住大聲喝彩,這實在是一場思維的盛宴。你馬上就想到:我這麼抬起手來,朝空中一劈,使一招「扭轉乾坤」,顯然我的手劈下去不是勻速直線運動而是加速運動,那豈不是我這一招真的可以把時空給弄彎曲了?沒錯,你的思考完全正確,只是你這一劈造成的時空彎曲效應,恐怕要把你的手放大到銀河系那麼大才有可能被察覺到。

作者註:本文所舉的例子來源是美國物理學家格林的科普著作《宇宙的琴弦》(湖南科學技術出版社),對於這個例子,格林有一段註釋,現基本原文引用如下:

關於所謂「剛性轉盤」(即太空大圓盤更科學的叫法)的分析,很容易引起混亂。實際上,在這個例子中,許多方面到今天也沒有達成一致意見。正文遵從了愛因斯坦本人的分析精神,現在我們還是照那個精神來澄清幾點可能會令人迷惑的性質。第一點,也許有人奇怪,為什麼轉盤的周長不跟尺子一樣產生洛倫茲收縮,那樣Tom測量的周長應該和我們原先看到的一樣。不過應該記住,那個轉盤在我們的整個測量過程中都是旋轉著的;我們從來沒有分析過它靜止的情形。這樣,從我們靜止觀察者的立場看,我們的測量與Tom的測量的唯一區別是,他的尺子發生了洛倫茲收縮。我們測量時,轉盤在旋轉,我們看到Tom測量時,轉盤仍然在旋轉。由於我們看他的尺子收縮了,所以認為他需要多測幾步才能測完一個周長,那當然就比我們測量的長。只有當我們比較轉盤在旋轉和靜止的性質時,轉盤周長的洛倫茲收縮才有相對意義,但我們並不需要這種比較。

第二點,雖然我們不需要分析靜止的轉盤,你可能還是想知道,假如它慢慢停下來,會發生什麼事情呢?看來,這時候我們應該考慮由於不同旋轉的洛倫茲收縮引起的隨速度的改變而改變的周長。但這如何與不變的半徑一致呢?這個問題很微妙;回答這個問題的關鍵一點是,世界上並沒有完全的剛體。物體可以伸長或者收縮,從而能夠協調我們看到的伸長和收縮。假如不是這樣,就會像愛因斯坦說的那樣,通過熔鐵在旋轉運動中冷卻形成的轉盤將因後來旋轉速度的改變而斷裂。關於剛性轉盤歷史的詳情,請看Stachel,「Einstein and the Rigidly Rotation Disk」(愛因斯坦與剛性轉盤)