广义相对论的时空弯曲效应

广义相对论的时空弯曲效应（续）爱因斯坦低着头在沉思，突然他抬起头，脸上闪过一丝喜色，站起来，大声说：“大家安静，请听我说，我想到一个办法。”会场上突然安静下来。爱因斯坦说：“刚才普朗克先生启发了我，电梯的加速度会产生如同重力的效应，而电梯升得越高，则重力越小。请大家想一想，如果我们能精确地控制电梯的加速度，则刚好可以把重力降低的效应完全抵消，这样我们就能把电梯安全的升到顶，然后引爆炸弹，这样我们就可以保住整座云霄电梯塔了。”开尔文说：“爱因斯坦警长的这个方案从理论上来说可行，不过，请云霄电梯的制造商方面出来回答下是否有可能精确控制电梯的加速度。”一个谢顶的中年人站起来说：“我是云顶电梯公司的总工程师爱丁顿，从理论上来说，云霄电梯具备任意加速度的能力，但控制系统需要加一个控制模块，当初设计的时候没有考虑到需要如此精细的控制。”开尔文说：“制造这个控制模块需要多久？”爱丁顿看了看手表，想了一下说：“如果现在马上动手的话，应该能赶在爆炸前半小时左右完成，时间还来得及，不过……”爱丁顿迟疑了一下。开尔文说：“有话就直说，爱丁顿先生。”爱丁顿说：“因为考虑到摩擦力和空气阻力的变化，电机必须要不停地调节输出功率。但在这么短的时间内，恐怕无法做出自动控制模块，必须，必须手动控制。也就是说，必须要有一个人在电梯内手动微调参数，直到电梯升顶。不知道我是否说明白了，开尔文先生。”开尔文瞬间就明白了爱丁顿的意思，不愧是久经沙场的老将，开尔文冷静地说：“请你立即动手去制作控制模块，剩下的事情交给我们，谢谢你，爱丁顿先生。”爱丁顿说了声是，立即三步并作两步离开了会场。此时，整个会场鸦雀无声，所有人其实都明白了爱丁顿的意思。开尔文环视了一周，镇定地说：“我想大家应该已经明白了，电梯只能在加速状态下才能维持重力不变，一旦升顶后开始减速，就会立即引爆炸弹。”会场安静得可以听见一根针落地的声音。开尔文说：“我已经一把老骨头了，对这个世界也没有什么留恋了，让我对这个国家的国土安全再尽最后一次责任吧。”安静，死一般的安静。开尔文缓缓的站起来，稳稳地一步一步走出门外。云霄电梯检修通道。倒计时血红的数字：00:26:23每跳动一下仿佛都是死神的敲门声。云霄电梯中，爱丁顿在对电梯控制面板上忙碌着，小心地合上面板，旋紧螺丝，面板上露出一个圆形的旋钮。爱丁顿抬起头来，脸色凝重的看着开尔文，郑重地把一个手掌大小的仪表交给开尔文。仪表上面什么按键都没有，只显示了一行醒目的数字：9.80665爱丁顿说：“尊敬的开尔文先生，再多的语言无法表达我此刻对您的感激，这是重力常数测定仪，请您注意看仪表上的数字，如果数字增大，说明电梯加速度过大，请把旋钮逆时针转动减小输出功率。反之请顺时针旋转增大输出功率。请注意，数字必须维持在9.81和9.79之间。”开尔文说：“相当明白了。启动电梯吧，时间不多了。”爱丁顿庄重地朝开尔文鞠了一躬，缓缓地退出电梯，此时，电梯外所有人都注视着开尔文，就像看着一个英雄。开尔文回敬了一个注目礼，沉着地说：“启动电梯。”突然，一个人影冲进了电梯，迅速地抢过了开尔文手里的仪表，并把开尔文往外一推，拉下扳手，开尔文一个踉跄的同时，电梯门缓缓地合上了。在电梯门合上的那个瞬间，人人都认出来了，那个人正是爱因斯坦警长。开尔文大怒，冲着电梯喊：“岂有此理，你怎敢这么**因斯坦在电梯中说：“请立即启动电梯，时间已经来不及了。我已经下定决心了，电梯门我已经反锁，我再重复一遍，请启动电梯，时间来不及了。”僵持了一段时间，尽管开尔文暴跳如雷，但也无计可施，大家心里都明白，时间一分一秒过去，必须启动电梯了。开尔文痛苦的对着电梯里面的爱因斯坦咆哮了两声，知道已经不可能改变了，红着眼睛对爱丁顿叫到：“启动！”电梯顶上一盏红灯变成了绿灯。电梯无声无息的启动了，刚开始几乎看不出来有任何移动，慢慢地，看出了一点点的抬升，随着时间推移，移动越来越明显。爱因斯坦一只手按着控制旋钮，一只手拿着重力测定仪，眼睛盯着读数，不时地调节旋钮，以维持读数的稳定。20分钟后，电梯终于要接近顶端了，爱因斯坦明白，电梯升顶前的减速会立即破坏炸弹上重力感应器的平衡，炸弹就会爆炸。最后的时刻到了，爱因斯坦听到哐当一声，猛然感到自己身体一下子轻了起来，手中的仪表上的数字急剧地减少。“啊——”爱因斯坦一声惊叫，从椅子上跳起来，他惊醒了，一身的汗。刚才的梦实在印象太深刻了，几乎历历在目。“加速度和重力等效，加速度和重力等效，加速度和重力等效”爱因斯坦一声比一声大地念了三遍，爱因斯坦得到了他一生中最快乐的想法。此时，哈勒也走进了爱因斯坦的办公室，显然他听到了爱因斯坦的叫声。哈勒问：“小爱，发生什么事了？”爱因斯坦冲过去一把抱住哈勒，说：“那个问题我想明白了，哈哈，哈哈哈。”哈勒推开爱因斯坦，问：“你说的是哪个问题？”爱因斯坦说：“惯性系，明白了吗，惯性系。上帝这个老头子不偏心，这个世界又回到了民主的世界，所有的参考系都是平等的。现在我们可以大声的宣布：在任何参考系中，所有物理规律都不变。只要在这个前面加上一个等效原理的前提即可。”哈勒说：“我不明白。”爱因斯坦说：“加速度和重力，也就是加速度和万有引力是完全等效的。请想一下，局长，如果你被关在一个密闭的电梯中睡着了，当你醒过来的时候，你如何区分自己是在太空中做着加速运动还是在静止在地面上呢？你能不能用做任何物理实验的方法判断自己是静止在地面上还是在太空中加速上升？”哈勒仔细想了一下，说：“好像是不能。”爱因斯坦说：“反过来，如果你醒来的时候，发现自己漂浮在电梯中，请问，你能区分自己是在太空中失重了呢还是电梯在地球引力场中做着自由落体运动吗？你能用做任何物理实验的方法区分这两种状态吗？”哈勒又仔细想了想，说：“很对，确实完全无法区分，不可能用实验的方法来知道自己的确切状态。”爱因斯坦说：“因此说，加速度就是引力，引力就是加速度，他们在物理性质上是完全等价的，这个我把它叫做等效原理。对于任何参考系来说，我们都可以把它分解为一个在引力场中的惯性系来考虑，这样一来，所有的参考系就平等了，参考系与参考系之间就没有任何区别了。比方说，你在地球上一列匀速直线运动的火车中做物理实验，我可以理解为是在一个施加了地球引力的惯性系中做实验；同样，如果我在太空中一部加速上升的电梯中做实验，假设上升的加速度刚好等于地球的重力加速度的话，那么在没有等效原理之前，我们只能认为这部电梯不是一个惯性系，但是现在，我们可以看成是在一部地球上的、静止的电梯中做实验。再比方，我们如果在地球上一部加速上升的电梯中做实验，我们也可以等效地认为是在太阳上一部匀速上升的电梯中做实验，假设电梯的加速度与地球引力之和刚好与太阳的引力相同的话。你看，有了这个等效原理后，我们可以把任何非惯性系都转换为惯性系，只要额外处理一个引力场的影响即可。”哈勒说：“那做匀速圆周运动的参考系也能做同样的转换吗？”爱因斯坦说：“当然可以，你想象一下现在你处在一个密闭的链子球里面，我把你甩起来，你会感到一股无形的力把你贴在外壁上，这个力就是离心力（科学地说是向心力），但是对于在密闭的球中的你来说，是无法区分这是离心力还是引力的，如果我在太空中甩这个链子球，那么你就会跟感觉在地球上静止一样，受到同样的重力。因此，只要考虑了引力场以后，任何参考系，不论是加速还是减速直线运动，还是非直线运动，都可以分解为惯性系不变，引力在发生变化。因此，最重要的是我们要找出一个引力场方程来，在狭义相对论中，我们只研究了时间、空间、运动这三者的关系，现在我们必须再加入一个重要的对象，那就是——引力。”哈勒若有所思地点点头，说：“我开始明白了。”爱因斯坦为了这个快乐的想法高兴了很多天，每天都觉得思路比上一天更加清晰，在引力这条路上开始往前探索，一下子无数的风景涌过来，很多过去想也没想过的问题都接踵而至，让爱因斯坦都有一点应接不暇。爱因斯坦首先通过一个思维实验很容易就得出了引力会使得光线弯曲的结论。你可能觉得非常难以理解，光线怎么可能弯曲呢，我们从来也没有见过手电筒打出去的光会有任何一丝一毫的弯曲，其实那一切不过是光的速度太快，弯曲的程度太低，我们的眼睛无法察觉。我可以用一个思维实验很容易就向你证明——光，是不可能对任何人来说都走直线的。请闭上你的眼睛，跟我一起来想：现在假设你是在一部做着自由落体运动的电梯中，你会感觉到失重，所有的东西在你身边都漂浮起来了，你随手从口袋里面拿出一个玻璃球，在眼前松手，你会看到玻璃球在眼前漂浮起来了，你轻轻地一弹，玻璃球在你眼皮底下以匀速直线运动朝前飞去。这一切都如此的正常，天经地义。现在我是站在地面上的一个观察者，我看到的情况就完全不同了，假设电梯是从外面可以看到里面的，我会看到什么呢？我会看到那个在你面前做匀速直线运动的玻璃球以一个抛物线的轨迹下落这个情景就跟你在运动的火车上从窗口扔出一个物体，你自己看到这个物体直线下落到地上，可是站台上的人来看，物体是一个抛物线运动。这一切都是如此的正常，天经地义。那么，再次闭上你的眼睛，还是回到那部失重的电梯中，你打开手电筒，一束光从你的手里打出去，请把这束光想象成是一个小球。请问，这束光对你而言是不是做着匀速直线运动呢？如果是，那么对于地面上的观察者我而言，这束光就必定也是个抛物线。如果你觉得这想不通，你一定要认为地面上的我看到的光是直线，而不是抛物线。那么，如果我看到的是直线，你看到的就一定是向上弯曲的抛物线了，别忘了，你正在不停地下落呢。换句话说，我们俩不可能同时看到光走的是一条直线，要么你看到的是抛物线，要么我看到的是抛物线，只能二选一。稍稍经过思考后，所有人都会选择后者，也就是从地面上的观察者来看，光走的路线跟小球一样也是抛物线，只是光的速度太快了，这根抛物线拉的很长很长，因此弯曲度很低很低，我们的肉眼根本察觉不出来。但是我们都应该能达成共识，那就是地球的引力确实会弯曲光线。图5-3地球的引力会弯曲经过地球附近的光线那么显然，既然地球的引力可以弯曲光线，那么所有的引力场应当会使得光线弯曲，我们这个地球不应当有什么特权。引力越大，也就弯曲得越厉害。再根据等效原理，加速度就是引力，引力就是加速度，因此，加速度同样会造成光线的弯曲。这个世界已经变得越来越神奇了，连光都成了弯曲的了，但又不由得我们不信。还有更神奇的，爱因斯坦用一个非凡的思维实验论证了这样一个事实：引力其实造成的是时空弯曲，也就是时间和空间同时被弯曲了。这下你的脑袋彻底晕了，你完全无法想象出时间和空间弯曲是什么概念，如果我说时间变慢，甚至说时间膨胀，空间收缩什么的，你大概都觉得还马马虎虎能想象得出来，但是这个时空弯曲实在太令人费解了。别慌，爱因斯坦这个非凡的思维实验叫爱因斯坦圆盘实验”。有趣啊，你心里想，前有牛顿水桶实验，后有爱因斯坦圆盘实验。还真是那么有趣，干脆我们把有趣进行到底，把Tom和Jerry再次请出来吧，这次让他们担任爱因斯坦的学生，跟我们的爱因斯坦先生一起来做这个思维实验，好了，可以鼓掌了。这个世界已经变得越来越神奇了，连光都成了弯曲的了，但又不由得我们不信。还有更神奇的，爱因斯坦用一个非凡的思维实验论证了这样一个事实：引力其实造成的是时空弯曲，也就是时间和空间同时被弯曲了。这下你的脑袋彻底晕了，你完全无法想象出时间和空间弯曲是什么概念，如果我说时间变慢，甚至说时间膨胀，空间收缩什么的，你大概都觉得还马马虎虎能想象得出来，但是这个时空弯曲实在太令人费解了。别慌，爱因斯坦这个非凡的思维实验叫**因斯坦圆盘实验”。有趣啊，你心里想，前有牛顿水桶实验，后有爱因斯坦圆盘实验。还真是那么有趣，干脆我们把有趣进行到底，把Tom和Jerry再次请出来吧，这次让他们担任爱因斯坦的学生，跟我们的爱因斯坦先生一起来做这个思维实验，好了，可以鼓掌了。爱因斯坦说：“欢迎TomandJerry来到我的广义相对论大讲堂，本次讲课包你们满意。”Tom托着腮帮子说：“我讨厌上课。”Jerry眯着眼睛说：“能再睡会儿吗？”爱因斯坦说：“你们听我说，这堂课我们不在教室里面上，我们去太空中上课，怎么样？”TomandJerry说：“太空，哇塞，太好