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。
1700941206
1700941207
关于弯曲能够说的还没有太多——它不太是一个通用性质。因此，当爱因斯坦感觉到迫切需要表达关于弯曲的某些方面时，他几乎自动地说出了正确的事情。我意指，只有一个限制或法则暗示它自己是合理的，那个法则已由观测证实是正确的。
1700941208
1700941209
你们有些人可能觉得，你们心里绝不能想象空间的弯曲，更别提空间—时间的弯曲了。其他人可能觉得，已经习惯了二维表面的弯曲，要想像三维乃至四维情形下的类似弯曲不存在难以逾越的困难。我宁愿你们都是前者，因为他们至少避免了他们的先入之见对他们的误导。我已经说到“图景”，但是这幅图景必须由逻辑推理而不是靠活跃的想象来描绘。我们对于弯曲的一般性概念是从表面获得的，即多层二维重复表面嵌入三维空间。任何点上的绝对弯曲，由球面曲率半径来度量。但是空间—时间是嵌入的一个四维重复表面，它的维度与能够找到的扭曲的新方法一样多。实际上，一个四维表面对发现新的扭曲形式而言极具独创性，除非再提供六个额外维度总计十个维度时，这个新创意是不会过时的。此外，在每个点上需要二十个不同的量度以便确定该处的特定种类和大小的扭曲度，这些量度称为弯曲系数，其中十个比其他十个更为重要。
1700941210
1700941211
爱因斯坦的重力法则确定十个主要的弯曲系数在空空荡荡的空间中为零。
1700941212
1700941213
如果没有弯曲，也就是说如果所有的系数都为零，那么就没有重力了，物体将沿直线匀速运动。如果弯曲不受限制，即所有的弯曲系数都难以预测，那么重力就会任意行事而不遵守法则，物体也将任意运动。爱因斯坦采取二者之间的状态：即二十系数中有十个为零，其余十个任意值，这样便规定了具有受法则约束的重力的世界，那二十个系数自然地分为十个一组的两组，因此要选择哪些是零就没有困难了。
1700941214
1700941215
对于不谙此道的人而言，一项精确的“自然”法则居然对若干系数任意设置可能看起来令人惊奇。但在我们对计划要应用该法则的问题规定细节时，必须先把一些问题放下留待解决。一个通用法则包括无数的特定实例，十个主要系数消失在空洞的空间中到处发生，不管在那里存在或多个具有重力作用的物体，其他十个系数依赖于所考察的特定状况变化。这提醒我们，在得到爱因斯坦的重力法则且把它用数学公式表达后，即便是最简单的实际问题的应用依然有很长的路要走。但是，到现在成百上千的读者想必已经仔细研读了这个数学公式，因此我们可以宽心，相信公式没有错误，这件工作完成后就有可能证实法则和观察一致。已经发现它与牛顿法则符合的非常接近，因此爱因斯坦法则的主要证据与牛顿法则的证据相同！但在三个关键性的天文学现象里，二者之间存在观测上的巨大差别，对这些现象的观测结果支持了爱因斯坦的法则，而反对牛顿的法则。[3]
1700941216
1700941217
在我们信念里很重要的是，理论预测要与观察一致，除非能提出理论与观察之间差异的合理的解释，因此通过这些精细的天文观测检验，爱因斯坦的法则站住了脚，而牛顿法则则失败了，这具有非常重要的意义。但是我们废弃牛顿法则的主要理由，并非这些试验所指出的精确度不完美，而是因为它没有包括我们现在想要知道的关于“自然”的那些信息，对这些信息我们已经有了想法而牛顿心里则完全没有。我们一起来讨论，天文观测表明，在一定的准确度范围内，爱因斯坦的法则和牛顿的法则都正确。在（近似地）确证牛顿法则时，我们是要确证有关以一个特定的空间—时间体系作为参照系时应该发生什么现象的描述，至于把任何根本的重要性附着于该体系并未给出理由。在（近似地）确定爱因斯坦的法则时，我们是要确证有关对于一切空间时间系都正确的世界的绝对性质的描述。对于尝试理解现象背后本质的人而言，爱因斯坦理论必然胜于牛顿的理论。爱因斯坦从观测现象中抽象出具有物理意义的结果，这一点与数学上的好奇心相反。爱因斯坦法则证实其自身是更好的近似，激励着我们有关对绝对的探求是对相对现象的最好理解这一观念。但是，如果难以马上成功，我们便很难再回到那个探求了。
1700941218
1700941219
我不禁想到，牛顿本人很高兴，“未经发现的真理的海洋”在二百年后会翻转到一个新的阶段。我想，因为我们并未由于这些知识从牛顿时代起就积累了下来，而盲目地应用牛顿公式，也并未在那些牛顿绝无机会考虑的状况下，而盲目地应用牛顿公式，所以牛顿也不会责难我们。
1700941220
1700941221
在此我并非要说明那三个实验，因为它们如今人们已众所周知，而且在相对论的若干入门书里都可以找得到。但是，我想提一下其中一本书里有关重力对光的作用，光波通过如太阳般大的物体时会偏斜一个小的角度，这是个额外的证据，表明牛顿把重力视为引力的图景是不足的。你们不可能靠引力使波偏斜，显然，必须找到一个使光偏斜的作用力的表达。
1700941222
1700941223
1700941224
1700941225
1700941227
物理世界的本质 运动法则
1700941228
1700941229
我现在不得不请你们，在你们关于真理的自然微光被你们的教师刻意地根除之前，要把心理恢复到你们第一次学习力学的时刻，第一运动定律被定义为——
1700941230
1700941231
任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，除非外力迫使它改变运动状态为止。
1700941232
1700941233
或者你们以前曾经想象，运动是个将会耗尽自己的某种事物。自行车，如果你们不加外力使它前行，它照例自己停在那里。老师正确地指出阻力倾向于使自行车静止，或许老师会举出一块在冰上滑过的石头的例子来说明当干扰力减少时，运动要持续得更久。但即便平滑的冰面也会产生某种摩擦阻力，为什么老师不更彻底些把阻力完全消除，就像轻易地把石头投入空空荡荡的空间中那样？但不幸的是，在那种情形之下，它的运动不是匀速直线运动，石头给出一条抛物线。如果你们提出反驳，那你们就要被告知，抛射物（石头）是被一个不可见的叫作“重力”的力，迫使它的匀速直线运动状态发生了变化。我们如何知道这个不可见力的存在呢？噢！如果这种力不存在，那抛射物就要沿着直线匀速运动。
[
上一页 ]
[ :1.700941184e+09 ]
[
下一页 ]