爱因斯坦对黑洞的解释 走进爱因斯坦的世界 一窥相对论的奥秘
1911年的一天,在布拉格大学校园里的一片草地上,一群大学生围坐在一位年轻学者的身旁,正进行着激烈的讨论。“请您通俗地解释一下,什么叫相对论?”一位学生微笑着向青年学者发问。年轻学者环视一下周围的男女学生,微笑着答道:“如果你在一个漂亮的姑娘旁边坐了两个小时,就会觉得只过了1分钟;而你若在一个火炉旁边坐着,即使只坐1分钟,也会感觉到已过了两个小时。
这就是相对论。”大学生们先是一愣,接着便大笑起来。“好!今天我们就谈到这里。”年轻学者站起身来,向大家告别后,便向图书馆走去。
这位年轻学者,就是伟大的科学家,相对论的创始人——爱因斯坦。
一、爱因斯坦的简历
爱因斯坦1879年3月14日出生在德国的一个犹太人家庭。父亲是一个电器作坊的小业主,当爱因斯坦15岁时,父亲因企业倒闭带领全家迁往意大利谋生。
1896年秋天,爱基斯坦就读于瑞士联邦高等工业学校。在学校里,除了数学课以外,他对其它讲得枯燥无味的课程都不感兴趣。但热衷于探索自然界的奥秘,对此他产生了浓厚的兴趣,利用课外时间阅读大量有关哲学和自然科学的书籍。
1900年,爱因斯坦从瑞士联邦高等工业学校毕业后,加入了瑞士国籍,长期找不到工作。两年后,他才在瑞士联邦专利局找到同科学研究无关的固定职业。但在专利局供职期间,他不顾工资低微的清贫生活,坚持不懈地利用业余时间进行科学研究,并不断取得成果。
二、狭义相对论
1905年,爱因斯坦在物理学方面的研究,取得突破性进展,创立了狭义相对论。这时他刚刚26岁。相对论是爱因斯坦在自己题为《论动体的电动力学》这篇论文中提出的。
在此之前,传说物理学的时空观是静止的、机械的、绝对的,空间、时间、物质和物质运动相互独立,彼此没有什么内在联系。
也就是说,物质只不过是孤立地处于空间的某一个位置,物质运动只是在虚无的、绝对的空间作位置移动,时间也是绝对的,它到处都是一样的,是独立于空间的不断流逝着的长流。这就是牛顿古典力学的时空观。
爱因斯坦以极大的毅力和胆识,突破了传统物理学的束缚,猛烈地冲击形而上学的自然观。他认为,空间、时间、物质和物质运动,彼此不可分割,它们之间紧密相联。作为物质存在形式的空间和时间,在本质上是统一的,随着物质的运动而变化。
狭义相对论的最重要的结论之一,是关于质量和能量的关系(E=MC²)。它告诉我们,物质的质量是不固定的,运动的速度增加,质量也随着增加;一定质量的转化必定伴随着一定能量的转化,反之亦然。这个著名的公式成为原子弹、氢弹以及各种原子能应用的理论基础,由此而打开了原子时代的大门。
狭义相对论的问世,震动了物理学界,也使这位年轻学者的名字,马上传遍了整个欧洲,给他带来了极高的声誉。德国著名的理论物理学家普朗克,向布拉格大学推荐爱因斯坦时说:“要对爱因斯坦理论作出中肯评价的话,那么可以把他比作20世纪的哥白尼。这也正是我所期望的评价。”
1911年,年仅32岁的爱因斯坦,被布拉格大学聘为教授,1913年,他重新回到德国,任柏林大学教授,并当选为普鲁士皇家科学院正式院士,不到4个月,第一次世界大战爆发了。爱因斯坦一向憎恶战争,主张民族和睦,公开发表反战宣言,同一位哲学家共同起草了《告欧洲人民书》,呼吁欧洲科学家应竭尽全力,尽快结束这场人类大屠杀。
然而,却没有什么著名人士响应。在这段岁月里,爱因斯坦满腹愁肠,闭门不出,深入自己的科学研究。在研究中,他发现狭义相对论的理论体系还不完善,它只解释了等速直线运动,而不能解释加速运动和万有引力的问题。
三、广义相对论
爱因斯坦在1905年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中,重力和加速度对其影响的论文,广义相对论的雏型就此开始形成。1912年,爱因斯坦发表了另外一篇论文,探讨如何将重力场用几何的语言来描述。至此,广义相对论的运动学出现了。到了1915年, 爱因斯坦引力场方程发表了出来,整个广义相对论的动力学才终于完成。
1915年后,广义相对论的发展多集中在解开场方程式上,解答的物理解释以及寻求可能的实验与观测也占了很大的一部份。但因为场方程式是一个非线性偏微分方程,很难得出解来,所以在电脑开始应用在科学上之前,也只有少数的解被解出来而已。其中最著名的有三个解:史瓦西解、 雷斯勒——诺斯特朗姆解、克尔解。
广义相对论讲了什么?
广义相对论是研究物质引力相互作用的理论,其最本核心的内容就是引力场方程,广义相对论的思想就是认为引力只是时空的几何弯曲的表象而已,引力并不像其它三种基本力一样,它并不是力。这种描述可以说是颠覆性的,而时空弯曲更是彻底的和牛顿平坦时空不同,完全是人们之前想到没想过的。
广义相对论在当时可谓惊世骇俗,好在随着水星进动的测量,证明了相对论的预言之一:大质量天体会扭曲时空导致光线弯曲。而前几年的引力波发现,更加肯定了广义相对论的正确性。但其实,这些预言都已经包含在相对论引力场方程之中了。
三大验证
在广义相对论的实验验证上,有著名的三大验证。在水星近日点的进动中,每百年43秒的剩余进动长期无法得到解释,被广义相对论完满地解释清楚了。光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍,爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果,证实了广义相对论是正确的。
再就是引力红移,按照广义相对论,在引力场中的时钟要变慢,因此从恒星表面射到地球上来的光线,其光谱线会发生红移,这也在很高精度上得到了证实。从此,广义相对论理论的正确性被得到了广泛地承认。
另外,宇宙的膨胀也创造出了广义相对论的另一场高潮。从1922年开始,研究者们就发现场方程式所得出的解答会是一个膨胀中的宇宙,而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会来涨缩,所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一个稳定宇宙的解出来。
但是这个解有两个问题。在理论上,一个稳定宇宙的解在数学上不是稳定。另外在观测上,1929年,哈勃发现了宇宙其实是在膨胀的,这个实验结果使得爱因斯坦放弃了宇宙常数,并宣称这是我一生最大的错误。
广义相对论的7个内容
1.光线偏折
几乎所有人在中学里都学过光是直线传播,但爱因斯坦告诉你这是不对的。光只不过是沿着时空传播,然而只要有质量,就会有时空弯曲,光线就不是直的而是弯的。质量越大,弯曲越大,光线的偏转角度越大。太阳附近存在时空弯曲,背景恒星的光传递到地球的途中如果途径太阳附近就会发生偏转。
爱因斯坦预测光线偏转角度是1.75″,而牛顿万有引力计算的偏转角度为0.87″。要拍摄到太阳附近的恒星,必须等待日全食的时候才可以。机会终于来了,1919年5月29日有一次条件极好的日全食,英国爱丁顿领导的考察队分赴非洲几内亚湾的普林西比和南美洲巴西的索布拉进行观测,结果两个地方三套设备观测到的结果分别是1.
61″±0.30″、1.98″±0.
12″和1.55″±0.34″,与广义相对论的预测完全吻合,爱因斯坦因此名声大噪。这是对广义相对论的最早证实。70多年以后“哈勃”望远镜升空,拍摄到许多被称为“引力透镜”的现象,现如今也几乎是路人皆知了。
2.水星近日点进动
一直以来,人们观察到水星的轨道总是在发生漂移,其近日点在沿着轨道发生5600.73″/百年是“进动”现象。而根据牛顿万有引力计算,这个值为5557.62 ″/百年,相差43.11″/百年。虽然这是一个极小的误差,但是天文是严谨的,明明确实存在的误差不能视而不见。
很多科学家纷纷猜测在水星轨道内侧更靠近太阳的地方还存在着一颗行星影响着水星轨道,甚至已经有人把它起名为“火神星”(N年之后居然还有中国学者管这个不存在的行星叫“祝融星”)。
不过始终未能找到这颗行星。1916年,爱因斯坦在论文中宣称用广义相对论计算得到这个偏差为42.98″/百年,几乎完美地解释了水星近日点进动现象。爱因斯坦本人说,当他计算出这个结果时,简直兴奋地睡不着觉,这是他本人最为得意的成果。
3.引力钟慢
同样还是时空弯曲的结果。前文讲到的都是空间上的影响,不论光还是水星都是在太阳附近弯曲的时空中运动。既然被弯曲的是时空,自然要讲时间的变化。广义相对论中具有基石意义的等效原理认为:无限小的体积中均匀的引力场等同于加速运动的参照系。
而在引力场中引力势较低的位置,也就是过去我们所学的离天体中心越近,引力越大,那么时间进程越慢,物体的尺度也越小。讲通俗一点,拿地球举例,站在地面上的人相比于国际空间站的宇航员感受到的引力更大,引力势更低(这是比较容易理解的),那么地面上的人所经历的时间相比于宇航员走地更慢,长此以往将比他们更年轻!
这项验证实验很早就做过。1971年做过一次非常精确的测量,哈菲尔(J.C.Ha1ele)和基丁(R.
E.Keating)把4台铯原子钟分别放在民航客机上,在1万米高空沿赤道环行一周。一架飞机自西向东飞,一架飞机自东向西飞,然后与地面事先校准过的原子钟做比较。同时考虑狭义相对论效应和广义相对论效应,东向西的理论值是飞机上的钟比地面快275±21纳秒(10-9s),实验测量结果为快273±7纳秒,西向东的理论值是飞机上的钟比地面慢40±23纳秒,实验测量结果为慢59±10纳秒。
其中广义相对论效应(即引力效应)理论为东向西快179±18纳秒,西向东快144±14纳秒,都是飞行时钟快于地面时钟;但需要注意的是,由于飞机向东航行是与地球自转方向相同,所以相对地面静止的钟速度更快,导致狭义相对论效应(即运动学效应)更为显著,才使得总效应为飞行时钟慢于地面时钟。
此外,1964年夏皮罗提出一项验证实验,利用雷达发射一束电磁波脉冲,经其他行星反射回地球再被接收。当来回的路径远离太阳,太阳的影响可忽略不计;当来回路径经过太阳近旁,太阳引力场造成传播时间加长,此称为雷达回波延迟或叫“夏皮罗时延效应”。
天文学家后来通过金星做了雷达反射完全符合相对论的描述。2003年天文学家利用卡西尼号土星探测器,重复了这项实验,测量精度在0.002%范围内观测与理论一致,这是迄今为止精度最高的广义相对论实验验证。
4.引力红移
从大质量天体发出的光(电磁辐射),由于处于强引力场中,其光振动周期要比同一种元素在地球上发出光的振动周期长,由此引起光谱线向红光波段偏移的现象。只有在引力场特别强的情况下,引力造成的红移量才能被检测出来。
二十世纪六十年代,庞德、雷布卡和斯奈德在哈佛大学的杰弗逊物理实验室(Jefferson Physical Laboratory)采用穆斯堡尔效应的实验方法,定量地验证了引力红移。他们在距离地面22.
6米的高度,放置了一个伽马射线辐射源,并在地面设置了探测器。他们将辐射源上下轻轻地晃动,同时记录探测器测得的信号的强度,通过这种办法测量由引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动。他们的实验方法十分巧妙,用狭义相对论和等效原理就能解释。
结果表明实验值与理论值完全符合。2010年来自美国和德国的三位物理学家马勒(H.Muller)、彼得斯(A.Peters)和朱棣文通过物质波干涉实验,将引力红移效应的实验精度提高了一万倍,从而更准确地验证了爱因斯坦广义相对论。
5.黑洞
1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西计算得到爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,质量大到一定程度,引力将把大量物质集中于空间一点,并产生奇异的现象。这种天体被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒命名为“黑洞”。
史瓦西的解表明黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,密度异乎寻常的大,它所产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无法逃脱,甚至传播速度最快的光(电磁波)也无法逃逸。
如果太阳要变成黑洞就要求其所有质量必须汇聚到半径仅3千米的空间内,而地球质量的黑洞半径只有区区0.89厘米。1964年,美籍天文学家里卡多·吉雅科尼(Riccardo Giacconi)意外地发现了天空中出现神秘的X射线源,方向位于银河系的中心附近。
1971年美国“自由号”人造卫星发现该X射电源的位置是一颗超巨星,本身并不能发射所观测到的X射线,它事实上被一个看不见的约10倍太阳质量的物体牵引着,这被认为是人类发现的第一个黑洞。虽然黑洞不可见,但是它对周围天体运动的影响是显著的。现在,黑洞已经被人们普遍接受了,天文学家甚至可以用光学望远镜直接看到一些黑洞吸积盘的光。
6.引力拖曳效应
一个旋转的物体特别是大质量物体还会使空间产生另外的拖曳扭曲,就好像在水里转动一个球,顺着球旋转的方向会形成小小的波纹和漩涡。地球的这一效应,将使在空间运行的陀螺仪的自转轴发生41/1000弧秒的偏转,这个角度大概相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角。
2004年4月20日,美国航天局“引力探测-B”(GP-B)卫星从范登堡空军基地升空,以前所未有的精度观测“测地线效应”,从而寻找“惯性系拖曳”效应的迹象。
卫星在轨飞行了17个月,随后研究人员对测量数据进行了5年的分析。2011年5月4日美国航天局发布消息称,GP-B卫星已经证实了广义相对论的这项预测。但是该项目的经济性和必要性受到很多批评的声音。
7.引力波
爱因斯坦在发表了广义相对论后,又进一步阐述引力场的概念。牛顿的万有引力定律显示出引力是“超距”的,比如太阳如果突然消失,那么地球就会瞬间脱离自己的轨道,这似乎是正确的。但爱因斯坦提出“引力”需要在时空中传递,需要时间,质量的变化引起引力场变化,引力会以光速向外传递,就像水波一样,这就是“引力波”的由来。
不过爱因斯坦知道引力波很微弱,像太阳这样的恒星是不能引起剧烈扰动的,连自己都认为可能永远都探测不到。
1974年,美国物理学家泰勒(Joseph Taylor)和赫尔斯(Russell Hulse)利用射电望远镜,发现了由两颗中子星组成的双星系统PSR1913 16,并利用其中一颗脉冲星,精准地测出两个致密星体绕质心公转的半长径以每年3.
5米的速率减小,3亿年后将合并,系统总能量周期每年减少76.5微秒,减少的部分应当就是释放出的引力波。泰勒和赫尔斯因为首次间接探测引力波而荣获1993年诺贝尔物理学奖。如今我们已经直接“听”到了引力波悦耳动听的声音,这预示着现代物理学崭新的篇章就此开启!
四、爱因斯坦的其他贡献
1.光量子理论——爱因斯坦的光量子理论提出光是由一种叫做光子的光子组成的,它具有波像性质。
在这个理论中,他还解释了一些金属的电子发射,这被称为“光电效应”。
2. E=mc²,质能方程,他演示了核能量与能量之间的联系。
依据:F=ma 两边同乘 距离S得 E=FS=maS=mv².在相对论中单独一个物体的质量却没有速度的概念,因为速度是距离变化率,一个物体没有距离的问题,不存在距离变化.那么这里的v是什么呢?显然是质量转换成能量的一个系数,而且必须是相对任何物体都不变的数值,并且单位是 米/秒.
那只有光速是不变的恒定值.所以预言:E=mc²。爱因斯坦的质能方程无疑是个完美的作品,它指出了质量和能量之间的对应关系,让我们明白小小的原子核为什么拥有如此巨大的能量。
3.布朗运动-这可能是迄今为止爱因斯坦最好的发现,在那里他观察到的被悬挂的锯齿状运动粒子,帮助证明了原子和分子的存在。我们都知道这一发现对今天几乎所有的科学分支都有多么重要。
爱因斯坦的后半生一直从事寻找大统一理论的工作,即被称为二十世纪二十个科学之迷的统一场论,是企图把自然界中的电磁、引力、弱、强等各种互相作用力统一起来的理论,不过这项工作没有获得成功。在完成一系列重要理论之后,特别是质能方程完成后,爱因斯坦一直在试图将强和弱相互作用里统一为一种力的概念。
爱因斯坦晚年确实研究过宗教,牛顿在晚年也在致力于证明上帝的存在,虽然青年时期的爱因斯坦在民众中是权威的化身,但他晚年曾经妄想把神学和自然科学结合起来,说到底还是由于他对自然科学没有抱以完全的信任,因为爱因斯坦出生的环境,正好是宗教改革刚刚过去的那段时间,在中下层民众心中,传统宗教封建神学仍然占有相当的社会基础。
他作为一代科学巨匠,无论是光电效应还是质能守恒以及著名的相对论,这些都给后世的物理学奠定了坚实的基础。他不仅是物理学的奠基人更是科学界的大亨。曾经有人说过,如果没有爱因斯坦的出现咱们的天下可能会倒退上百年,然而他也说过咱们所处的这个天下都是被支配好的,这算是他在物理学范畴外的新理论吗?还是说人类文化的尽头是神学呢?
在科学研讨的过程中是严谨的,然则总会有让人难以解释清楚的地方存在。就如物理学家牛顿所说的宇宙天体之间的运转是多么的精密,就像是被人支配好的同样,而爱因斯坦实在也想表白这个道理。
随着人类的进步,那些原理搞不清楚的问题,迟早都会通过科学来证实。就我们目前世界文明程度来讲,我们是更应该相信科学,因为他为人类带来了巨大的福利,而且是我们能看到!
