1700941157
物理世界的本质 升降机中的人
1700941158
1700941159
1915年左右,爱因斯坦把他的相对论进一步扩展到非匀速运动,讨论这个问题最容易的方法就是考察升降机中的人。
1700941160
1700941161
假定这个房间是一架升降机,支架断了,我们自由落体下降,下降速度持续增加。
1700941162
1700941163
我们通过物理实验来体验时间,升降机就是实验室,我们将从头开始并尝试发现一切“自然”法则——自然即升降机中的人所解释的自然,这在相当大程度上是在陆地上的实验中早已发现的科学历史的重复,但是其间存在一个显著的差别。
1700941164
1700941165
我进行了将握在手中的一个苹果降落的实验,苹果不能比以前的实验降落更多。你们记得我们的升降机以及升降机内的所有的东西都在自由降落,结果苹果依然与我的手保持着位置。科学史上有一件对于升降机中的人不可重复的偶然事件——牛顿和苹果树。引导星球沿轨道运行的作用力与我们普遍经验中使苹果下坠的作用力相同这一重大概念,因为在升降机中苹果并不掉下,这个普遍经验失效了。
1700941166
1700941167
我想,我们现在有充分的证据证明,在升降机中所确定的科学法则,在其他所有方面将与那些在传统条件下确定的法则相一致。除了这个以外,在升降机中的人就可以得到我们所熟悉的所有的“自然”法则,而且可以和我们得到它们时的形式如出一辙,只有使苹果掉落的力在法则体系中不存在。
1700941168
1700941169
我相信,升降机中的观察者们通常具有以自我为中心的态度,即呈现给我的世界的面貌才是那个自然界。对他们而言,将生命消耗在升降机中降落一点也不令他们震惊,他们会觉得栖息在地球表面反而倒很奇怪。因此尽管他们可能盘算过,对处于这种奇怪状态的人们而言,苹果似乎具有令人困惑的坠落习惯,但他们不再会比我们更为认真地对待有关苹果掉落方式的经验。
1700941170
1700941171
我们认真地对待他们的经验了吗?或换言之——在降落的升降机中的观察者所得出的自然法则体系相较于在陆地上的观察者所得出的自然法则体系,它们的相对重要性是什么?这一套体系比另一套更真实吗?这一方比那一方更有优势吗?显然,两者之间的差异——如果有的话,来自于这个事实,即那些法则要参考不同的时间和空间体系,在我们的体系中坚实的大地处于静止,同样的,在他们的体系中升降机处于静止。此前,我们已经知道使用不同体系的观察者的例子,但是那些体系都具有不同的均匀速度,而升降机的速度是持续增加的——即具有加速度。我们能否把我们有关“自然”与空间和时间体系无关的原理扩展到加速体系,由此没有一个体系能够优于任何其他体系吗?我想我们能,所引发的唯一的疑虑是我们能否不应该把升降机中的人的体系看作优于我们的普通体系,而只把它看作是同等的体系。
1700941172
1700941173
当我们站在地上时,大地分子便以相当于十石[重量名,约14磅(约6.35千克)]重量的力击打着我们的靴底而支撑着我们。但果真如此的话,我们应该通过地板的间隙掉下去了。我们经受着持续和猛烈的连续击打。如今,这种情形很难被视为对于我们自然环境公正考察的理想条件,所以如果这样的处理,蒙受苦痛的我们的感觉给出对世界戴着有色眼镜的见解是不足为奇的。我们的身体被看作考察世界所使用的科学仪器,当电流计用于观测时,我们不会准许任何人击打它。同样地,当人类的身体作为获取科学知识的通道手段而使用时,优先要避免人的身体受到击打,当我们不被支持时,便摆脱了这种击打。
1700941174
1700941175
接着,让我们跳下断崖,以便可以假定自然未受干扰。或者,如果说服自己你的身体并未下落是否对你而言是个奇怪的事,[1]那么让我们再次进入下落的升降机里。这里没有什么东西需要支撑,我们的身体、我们的电流计以及所有的测量设备都免予击打,所以它们的示数能够毫不迟疑地被接收。下降的升降机的空间和时间体系,对没有支撑的观察者而言是自然的体系,在这些有利状态下所确定的自然法则至少比起通过参考其他体系所建立的那些法则来,其地位并不低下。
1700941176
1700941177
我另做一个实验。这一次我拿两个苹果,让它们在升降机相对的两端下落,将会发生什么呢?开始时并没有发生什么事,苹果还是在位于脱手的地方。但是让我们走到升降机外面停留片刻来观察这个实验,两个苹果被重力拖向地球中心。当它们接近地心时,它们的轨迹逐渐汇集在地心相遇。现在再回到升降机,首先看到的是苹果还处于升降机地板上方的位置,但是现在我们注意到,它们互相向对方漂移,在升降机通过地心的瞬间(从升降机外的一个观察者看),它们便相遇了。即使升降机中的苹果没有坠落到地板的倾向,然而有关它们的行为依然神秘。所以升降机中的牛顿,依然会发现,引导星球沿轨道运行的作用力,与在我们家附近玩这些苹果游戏的作用力是相同的。
1700941178
1700941179
总结一下,重力具有相对特性和绝对特性,对我们印象最深的特性是重力的相对特性——相对于体系的特性。这个体系除了是我们普遍应用的以外,没有什么特别意义。这个特性对于升降机中的人的体系而言完全消失了,因而我们应该在试图形成一幅重力的绝对图景时抛开这个特性。但在这里也常常存在一些绝对的东西,我们必须尝试对其进行适当的描述。为了我当下就要解释的理由,我们发现能够把重力描述为空间和时间的弯曲。
1700941180
1700941181
1700941182
1700941183
1700941185
物理世界的本质 重力的新图景
1700941186
1700941187
牛顿派的重力图景是一个作用于运动轨迹受到干扰的物体上的拽力。我想解释一下为什么这一图景必须被替换的理由,我必须再次提起著名的有关牛顿和苹果树的事例。重力的经典概念是基于牛顿对所发生的事物的解释,但现在必须要听听苹果怎么说了。按照一个观察者通常的自我中心主义看法,苹果认为自身是静止的。往下看苹果,看见包括牛顿在内的地面上的各种物体以加速度向上奔突与它相遇。苹果是否发明了解释它们行为的神秘的作用力或拽力?非也!苹果会指出它们加速的原因是非常明显的。牛顿正被他下面大地的分子击打着,这种击打是绝对的——对于参考体系不存在任何疑问,只要利用足够强大的放大装置,任何人都能够看到分子的动作并统计击打次数。按照牛顿自己的运动法则,这必然要给他一个加速度,这恰恰正是苹果所观察到的。牛顿不得不假定一个神秘的不可见力将苹果拽落,而苹果却能够指出把牛顿推向上方的明确的原因。
1700941188
1700941189
这个例子中苹果的观点如此占尽优势,使得我必须把状况稍做修正一点,以便给予牛顿公平的机会。因为我相信苹果只不过是过多地利用了单纯的、偶然的好机会。我将把牛顿置于重力消失的地心,因此他能够保持静止而无须支撑——不受击打。他往上眺望看见苹果掉落到地球表面,如在前面一样,他把这个归于他称为重力神秘拽力的作用。苹果往下眺望,也看见牛顿在接近它,但这一次,苹果不能把牛顿的加速度归于任何显明的击打,它也需发明一个作用于牛顿的神秘的拽力。
1700941190
1700941191
我们有两个参考坐标系:在一个坐标系中,牛顿是静止的,而苹果是加速度的;在另一坐标系上,苹果是静止的,而牛顿是加速度的。在这两种情形下,对于加速度均没有可见的原因。在这两个情形下,物体并未被外来的击打扰乱,二者可完全互换,没有理由说某个体系比另一个要更好。我们必须对干扰作用力设计一个新的图景,能够对这些体系不偏不倚。在这个新图景里,拽力不再适合了,因为如果我们把它附在苹果上,这样我们便有利于牛顿体系;如果我们把拽力附在牛顿身上,那又有利于苹果体系。[2]重力的本质或绝对的部分不能是作用在物体上的一种力,原因在于我们对力所作用的物体完全是茫然无知的,我们必须采用不同的图景。
1700941192
1700941193
古时的人都相信地球是平的,他们所探查过的可以在平面地图上表示而不会发生严重的变形。当发现了新的国家时,很自然地就想到把它们附加到平面地图里。众所周知的平面地图的例子是墨卡托的投影地图,你们可能会想起,地图上格陵兰岛的面积看起来大得荒唐,在其他的投影地图里,方向被扭曲得非常严重。现在那些依旧执迷于地球平面说的人们必然要假定,地图上显示的是格陵兰岛的实际面积——地图所显示上的距离是实际的距离。那么他们如何解释,在格陵兰岛的旅行者报告表明地图距离好像要比它们实际距离要短得多呢?我想他们怕是要创造一种理论,说在格陵兰岛居住着一个魔鬼,他在帮助旅客赶路。当然了,科学家是不会采用如此粗鲁的字句的,他要创造一个希腊—拉丁多音节字来指代似乎把路途缩短的神秘作用力,但那只是伪装而已。现在假定格陵兰岛的居民已经开发了他们自己的地理学,他们发现地球表面最重要的部分(格陵兰岛)能够在平面地图上表现出来而不发生严重的扭曲,但是当他们把远方的国家例如希腊画到地图时,其面积必定会夸大,或者在他们描画希腊地图上时,在希腊也活跃着一个恶魔使那里的旅程与它们在平面地图里现实的看起来不同。恶魔从未来过你们的地方,时常被他搅扰的都是其他人。现在我们理解了,真正的解释在于地球是弯曲的,恶魔彰显的活动是强把弯曲的表面变成一个平面地图,因而扭曲了事物的单纯性。
1700941194
1700941195
以上地球认识理论所发生的情形,对于空间—时间的理论也会发生。在地心静止着的观察者代表着基于通常的被称为平面空间—时间的传统原理所构建的空间和时间体系里所发生的事物,他能够确定近邻事件的位置而不扭曲其自然的单纯性。静止物体依然静止,若没有受到某种明显的扰动,例如打击,那么匀速运动物体依然保持匀速运动,光沿着直线行进。他把这平面体系扩展到地球表面,就遇到了下落苹果现象,这个新现象必须要由能说服苹果偏离它们正常的匀速运动的无形的作用力、即谓之重力的恶魔所解释。但是,我们也可以从下落的苹果的体系或升降机中的人的体系出发,在升降机体系中,静止的物体依然静止,匀速运动的物体依然匀速运动,但是,如我们所看到的,即使在升降机的角落里这种单纯性都开始丧失。如果眺望原野,比如说眺望地心,必须假定一个恶魔在活动,他推动着没有支撑的物体直立着(相对于升降机体系)。当我们从一个观察者转到另一观察者——从一个平面的空间—时间体系转到另一个空间—时间体系,恶魔活动的场景便转移了,它绝不在我们的观察者所在地,而是常常远去彼方。这个解决方案现在不是很明白了吗?恶魔只不过是当我们试图把弯曲的世界适应平面体系时所引起的复杂化。在平面空间—时间体系里标记世界时,我们使之扭曲,以使这个现象在它们的原始纯洁性里不会出现。承认世界的弯曲,则神秘的作用力便消失了——爱因斯坦把恶魔赶跑了。
1700941196
1700941197
切莫以为这种概念上的初步变化能够把我们带得足够远而获得重力的解释。我们寻求的不是一个解释,而是寻求一幅图景。这幅(看似很硬的)世界弯曲的图景是比一个按照选定的视点,在物体之间飞掠的不可捉摸的引力更易于把握。
1700941198
1700941199
1700941200
1700941201
1700941203
物理世界的本质 重力的新法则
1700941204
1700941205
在获得重力的新图景后,我们就需要一个新的重力法则。因为牛顿法则告诉我们引力的大小,到了现在又不考虑引力了。由于现在客观现象图景是弯曲的,所以新的法则必须涉及弯曲的某些方面,很显然,它必须是能够控制和限制可能的空间—时间的弯曲的法则。
[
上一页 ]
[ :1.700941156e+09 ]
[
下一页 ]