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第六章万有引力与航天经典力学的局限性自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。一、经典物理模块分类：17世纪前在观察与哲学的猜测上对天文、力、热、声、光有了一定认识。17世纪初—19世纪末是经典物理学体系建立的关键时期静力学（描述静止物体）运动学（描述物体运动）动力学（描述物体受力作用下的运动）经典力学（牛顿力学）二、经典力学模块分类：牛顿万有引力定律变量数学微积分牛顿三定律三、牛顿主要贡献亚里士多德伽利略笛卡尔牛顿经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）哥白尼：日心说第谷：20年精心观测数据开普勒研究第谷数据得三个定律胡克、哈雷进一步认识牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力万有引力定律牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”经典力学金字塔的建立开普勒经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那天。”第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇宙系统”。低速世界(经典力学)高速世界（相对论）四、经典力学的困境：在宏观低速的世界：一切都理所当然？宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。当一些问题(如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下1m/s，则船相对于岸3m/s.例如：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，独立于物体及其运动存在。例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影响不了它，时间也是独立的。所以：不管选什么参考系，不管物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度甚至可以超过光速高速世界（接近光速）随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移动的快。物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。物体的质量随速度的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态有关，时空都与运动相关联了------------狭义相对论不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都是一样的。不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。狭义相对论自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。趣例：当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同时亮，而B看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有20厘米了。说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了爱因斯坦火车:ABK’系中点ABK’系中点先到B点再到A点同时到达A、B火车上的观测者说:光源在AB的中点,应同时到达A、B两点.地面上的人看见先到达B点，后到A点。K系DCK系DC按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。不敢相信图中的横线是平行的，不过它就是平行的两个位于中心的圆哪个大？其实一样大的！（1）相对时间狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。时钟变慢.swf（1）相对时间021ttvc（2）相对长度爱尔兰物理学家佛兹杰拉德(1851─1901)提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。（2）相对长度201vLLc（3）相对质量物体运动时的质量与静止质量的关系021mmvc五、从宏观到微观19世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。六，从弱引力到强引力物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3km，地球的引力半径为1m,如白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随著被扭曲的空间走而进去黑洞里,大家都知道光只走直线,所以光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞,打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。爱因斯坦广义相对论经典力学狭义相对论广义相对论量子力学互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速高速微观世界强引力（1）对证据的质疑：水星旋进数据观测值：43秒/百年爱因斯坦计算相对论值：43.03秒/百年最新相对论值（太阳非正球体）：39.6秒/百年（2）对共设的质疑：光速不可超越吗？哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着目前认识的宇观世界更大结构层次的发现，光速是否会被超越？例如：相对论是一定正确的吗？例如：量子力学就不会错吗？量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力学吗？美国有一名12岁的小男孩，他的智商比爱因斯坦还高据外国媒体报道，在美国有一名12岁的小男孩，他的智商比爱因斯坦还高，达170。目前，他正在印第安那大学学习，导师们正安排他攻读博士学位。这名“神童”名叫雅各布.巴内特。他在一个星期里教自己学会了微积分、代数和几何等学科，还经常辅导自己的大学同学。现在，他开始着手挑战爱因斯坦的相对论——他将其命名为“爱因斯坦相对论扩展版”。他的母亲克里斯汀弄不清儿子到底是天才还是在胡说，于是将雅各布的学说录像寄给了普林斯顿附近的高等研究院。研究院的天体物理学家斯科特.特里梅证实了其真实性。他在给雅各布一家的邮件里写道：“他研究的理论中，包含有几个最深奥的天体物理学和理论物理学难题。任何解决这些问题的人，都会得到诺贝尔奖。”克里斯汀对媒体表示，雅各布的学识一定不是遗传于自己，因为“我的数学不及格”。不单是克里斯汀，雅各布的家人数学都不好。他就曾抱怨说：“我每次和家里人讨论数学，他们就茫然地看着我。”报道称，雅各布患有亚斯伯格综合征和轻微的自闭症，一直到2岁才说话。他的父母为此很担心。直到他长大后，他们才知道儿子的天分。雅各布3岁就开始玩5000片的拼图游戏，甚至研究了州公路地图，记得每一条高速路。8岁时，他从中学毕业，参加了印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校的天体物理学高级班。他的同学至少都是18岁以上的成年人，但只要他们遇到了问题，都会来找雅各布。他的教授罗斯说，雅各布会经常在课间来找自己，问很多更详细的问题。不过，天才总会付出一些“代价”。雅各布的父母说，他晚上很难睡好，脑海里总是出现数字。现在，他把这些时间都用来研究相对论。爱因斯坦给后人的信一天，爱因斯坦正在撰写光电效应定律的论文，美国总统罗斯福打来电话，让他给５０００年后的人们写一封信。爱因斯坦笑了，说：“总统，您真会开玩笑，要我写些什么呢？”罗斯福非常郑重地说：“把我们这个时代人们的思想和科学的发展，告诉５０００年后的人们，让他们对我们有所了解。”“这样的信，即使写了也没法寄啊！”爱因斯坦说，“没有这样的邮差。”“这个，我考虑过。”罗斯福成竹在胸，“有的。我们给他们做一个安全固定的信箱，５０００年后，他们到那里去取就是了……”爱因斯坦饶有兴趣地点点头说：“还是总统有办法。”罗斯福１９３３年任美国第３２届总统，业绩辉煌。他所以叫爱因斯坦给５０００年后的人们写信，要的是名人效应。爱因斯坦是伟大的科学家，在物理学的许多方面做出了卓越的贡献，特别是相对论，揭示了空间—时间的辩证关系，无论在科学上还是在哲学上，都具有重要的历史意义。１９３８年８月１０日，爱因斯坦写了《致后人书》——“我们的时代富于创造思想。我们的发现本应该可以大大地使我们的生活轻松愉快。我们利用电能横渡大洋。我们使用电能来减轻人类的繁重的体力劳动。我们学会了飞行。我们利用电波很容易地把消息发到全球各地去。”“但是，虽然有着这一切，我们的商品的生产和分配是完全无组织的，人们必须生活在忧虑中，担心被人从经济生活中抛出，失去一切。除此之外，生活在不同国家中的人们每隔一个长短不等的时间就要进行互相杀戮，因此，每一个想到未来的人必然都生活在经常的忧虑中。”“我相信，我们的后人将怀着一种理所当然的优越感读上面这几行文字吧。”爱因斯坦的这封给后人的信是用特制的墨水和纸写成的。与其它的文件一起装进一个特制的钢体里，埋入纽约当时准备动工兴建的国际博览会建筑地基下面１５米的花岗岩洞内，地面立有一碑柱，要人们在５０００年后，即公元６９３８年取出钢体内的东西。爱因斯坦的《致后人书》，许多报刊上登过，５０００年后的人们如果只想读到这封信，根本用不着去碰国际博览会地基下的那颗“定时炸弹”。