相对论带来了什么?

发布时间:2022-07-18 发表于话题:相对论是什么 点击: 当前位置:黄埔网 > 科技 > 相对论带来了什么? 手机阅读

原子裂变,蘑菇云升起

1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章:《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加。这就是运动中物体的“质增效应”。

现在我们想像我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有。假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初好像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大。这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,小车都不可能运动得再快一些。

由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大。

当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量。这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系。爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式:E=mc2。

能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的。

遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。

但是,十几年后的1939年,约里奥・居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法。铀-235的核被中子轰击后就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1­~3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量。这就是链式反应。

链式反应使原子能成为杀伤力巨大的新武器。仅仅在几年后,人类第一颗原子弹在美国爆炸成功,紧接着日本人遭受了人类历史上最残酷的惩罚,几十万人死伤,其中一部分人瞬间被还原成基本粒子,真成了魂飞魄散。E=mc2在给人间带来希望之前,带来的先是致命的创伤,这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是一记重拳,直至临死前他仍为此痛心不已。

宇宙开始于一个小点

令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观。

1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。

然而,爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!

最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃。哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系。1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀。这种膨胀是一种全空间的膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内。

宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣。乔治·伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生。弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一。1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感:把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系。

1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论。与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周空间传播开去的那种爆炸,宇宙在开端时自身就是一个极度致密的点,随着爆炸,空间、时间与星系物质同时扩展。

根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言:我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。

1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K(比伽莫夫预言的6K温度要低),一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力地佐证了宇宙大爆炸理论。

广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去。让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了。

像恶魔一样的黑洞

广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?

1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家史瓦西得到了广义相对论方程的一个精确解。该解作为时空的一种可能的形状,可以用来描述一个理想状态下不带电、无自旋的绝对正球体(也可用于近似描述如地球和太阳等缓慢自旋的物体)之外的引力场。其原理是把这个理想状态的正球体视为质点,以研究其附近物质的运动状态。

奇异性正是从这里开始。史瓦西解表明,如果有一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3千米时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界。

这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名。

历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即:一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的 1.4倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星。1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体。

随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到逐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来。

严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”, 而只是空间的一个区域。这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙;而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心聚集,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞。

在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和潮汐力都是无限大。因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,我们无法谈论黑洞里有哪些物质,黑洞是一个统一体!

在黑洞中心,全部物质被强烈地挤压成一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态。广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论。讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!

宇宙常数死而复生——暗能量

在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”。随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆。

然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般地复活了。这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现。

1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”。近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%。

宇宙中普通物质的含量如此稀少令科学家们极为震撼!我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!

事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙:因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控地膨胀和收缩。而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在历史中复活。

宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度。物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减;但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变。在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段;现今的暗能量密度已经大于物质的密度,暗能量所产生的排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀。根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗。

暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”:即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的。一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多。而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相。

暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一。

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