如何 推翻 相对论 ？广义 相对论 的 建立 和 实验 验证 (1) Wie kann die Relativitätstheorie widerlegt werden? Begründung und experimentelle Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie (1) How to disprove the theory of relativity? Establishment and experimental verification of general relativity (1) ¿Cómo refutar la teoría de la relatividad? Establecimiento y verificación experimental de la relatividad general (1) Как опровергнуть теорию относительности? Становление и экспериментальная проверка общей теории относительности (1)

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 在 上 一回 咱们 讲 了 狭义 相对论 的 基本原理 以及 它 的 核心 公式 洛伦兹 变换 有 小朋友 就 跟 我 说 你 就 直接 告诉 我 相对论 到底 能 不能 被 推翻 吧 其实 很多 科学家 都 对 相对论 提出 过 质疑 比如说 马赫 庞加莱 洛伦兹 等 人 但是 他们 都 没有 发现 相对论 真正 的 问题所在 这个 问题 是 爱因斯坦 自己 本人 发现 的 并且 在 1915 年 的 时候 提出 了 广义 相对论 进行 修正 那么 今天 就 带 着 大家 来 了解 一下 狭义 相对论 究竟 有 什么 问题 以及 什么 是 广义 相对论 我们 首先 来 讨论 第一个 问题 就是 爱因斯坦 在 1905 年 的 时候 提出 的 狭义 相对论 狭义 相对论 它 究竟 有 什么样 的 问题 有 什么样 的 问题 亟待 于 解决 狭义 相对论 有 两条 基本 假设 那么 第一条 假设 叫做 相对性 原理 就是 在 两个 惯性 参考系 中 物理 规律 是 保持 不变 的 那么 这里 就 涉及 到 一个 问题 什么 是 惯性 参考系 呢 惯性 参考系 如果 我们 打开 我们 的 中学 的 课本 的话 书上 是 这么 写 的 说 地球 可以 近似 看作 是 一个 惯性 系 太阳 是 比 地球 更好 的 惯性 系 银河系 中心 又 是 比 太阳 更好 的 惯性 系 但 究竟 什么 是 惯性 系 呢 它 也 没有 说 清楚 传统 的 观点 认为 所谓 惯性 参考系 指 的 是 什么 呢 指 的 是 这个 参考系 是 静止 或者 是 匀速直线 运动 的 参考系 静止 或者 匀速直线 运动 的 参考系 比如说 一个 匀速运动 的 火车 它 就是 一个 惯性 参考系 但是 这句 话 其实 是 存在 理论 问题 的 大家 发现 了 吗 静止 或 匀速直线 运动 相对 于 谁 静止 或 匀速直线 运动 呢 你 可以 说 相对 于 另外 一个 惯性 系 那 另外 一个 惯性 系 又 是 相对 于 谁 静止 或 匀速 呢 如果 你 这样 一直 导 下去 的话 这句 话 成立 的 前提 是 你 必须 默认 有 一个 绝对 静止 的 参考系 这 就 又 回到 了 牛顿 的 绝对 时空 理论 对 不 对 但 问题 是 爱因斯坦 已经 说 了 不 存在 绝对空间 But the problem is that Einstein has already said that there is no absolute space 所以 咱们 绝对 不 能够 使用 这种 方法 来 定义 惯性 系 这种 方法 不行 那 咱们 换 一种 说法 还有 人 说 所谓 的 惯性 系 就是 牛顿 第一 定律 成立 的 参考系 牛顿 第一 定律 成立 的 参考系 什么 叫 牛顿 第一 定律 呢 就是 物体 在 不 受力 的 时候 保持 静止 或 匀速直线 运动 你 只要 找到 了 一个 参考系 发现 这个 参考系 里边 有 一个 小球 这个 小球 它 不 受力 而且 做 静止 或 匀速直线 运动 这个 参考系 就是 惯性 的 这么 说 行不行 呢 不行 为什么 呢 因为 我们 没有 办法 找到 一个 不 受力 的 物体 你 说 我 在 宇宙 中 找 一个 石头 这个 石头 是不是 不 受力 那 不 一定 遥远 的 太阳 可能 会 对 这个 石头 有 这个 吸引力 这个 吸引力 你 看不见 也 摸不着 你 怎么 知道 它 不 受力 呢 所以 这种 说法 也 有 问题 既然 这些 说法 都 有 问题 爱因斯坦 就 反复 在 思索 惯性 参考系 的 概念 到底 是 什么 意思 如果 惯性 参考系 找 不到 的话 那么 相对性 原理 建立 在 惯性 参考系 之上 相对性 原理 不 就 有 问题 吗 这是 爱因斯坦 的 第一个 疑问 爱因斯坦 还有 第二个 疑问 就是 万有引力 万有引力 是 如何 理解 的 我们 现在 知道 说 自然界 有 这个 四种 基本 相互作用 强力 弱力 电磁力 万有引力 那 爱因斯坦 那个 时代 就 知道 两种 一种 叫 万有引力 一种 叫 电磁力 电磁力 已经 理解 得 非常 透彻 了 首先 由 麦克斯韦 方程组 描述 了 电磁波 的 形成 电磁波 可以 进行 传播 电磁波 传播速度 就是 光速 电磁波 的 这些 方程 还 满足 相对论 所以 电磁力 已经 基本上 解释 清楚 了 但是 万有引力 是 怎么回事 呢 首先 第一个 问题 如果 万有引力 产生 了 那么 是 什么 场 产生 了 万有引力 你 能 不能 把 这个 描述 万有引力 的 场 给 我 找到 第二 就是 你 通过 这个 场能 不能 给 我 描述 一个 波 就 像 电磁波 一样 说 这个 引力 的 传播 应该 像波 一样 你 能 不能 把 这个 波给 我 找到 而且 这个 场 和 这个 波它 必须 是 符合 相对论 的 是 协变 的 符合 相对论 的 爱因斯坦 做 了 很 多次 尝试 结果 发现 他 找 不到 一个 场 用来 理解 万有引力 找 不到 这样 的 一种 方式 把 万有引力 和 狭义 相对论 统一 起来 这 是 他 思考 的 第二个 问题 那么 为了 解释 这 两个 问题 爱因斯坦 苦苦 地 思索 了 十年 终于 在 十年 之后 的 1915 年 年底 的 时候 提出 了 广义 相对论 最 开始 的 时候 他 只管 他 的 理论 叫 相对论 后来 发现 他 的 狭义 相对论 有点 问题 于是 就 提出 了 狭义 和 广义 之分 什么 是 广义 相对论 呢 这个 理论 比较复杂 咱们 来说 一些 它 的 简单 原理 第一个 就是 等效 原理 等效 原理 The first is the principle of equivalence 爱因斯坦 有 一次 在 他 这个 回忆录 中说 到 有 一天 他 坐在 办公室 里边 思考 这个 相对论 的 问题 他 突然 就 想到 了 说 如果 有 一个 人 他 从 窗户 跳出去 他 跳楼 这个 时候 他会 有 什么 感觉 呢 他会 感觉 到 自己 的 身体 飘 了 起来 结果 他 一下子 就 悟 到 了 说 等效 原理 说 怎么 个 意思 我们 来看 一看 爱因斯坦 的 意思 什么 叫 等效 原理 他 说 假如 有 一个 人 手里 拿 了 一个 球 一 松手 这个 球 就 以 一个 加速度 比如说 重力 加速度 g 往下掉 你 说 这 是因为 啥 吧 它 有 两种 可能 第一种 可能 就是 我们 平常 认为 的 说 这个 人 他 站 在 地面 上 这个 人 他 站 在 地面 上 地球 是 对 这个 球有 引力 的 球 受到 了 一个 引力 的 作用 这个 引力 等于 mg 对 不 对 受到 引力 的 作用 因为 引力 的 作用 就 造成 了 加速度 这 就是 牛顿 第二 定律 对 不 对 但是 还有 一种 可能 这个 人 旁边 其实 并 没有 什么 星球 只不过 他 处在 一个 参考系 里 比如说 有 一个 电梯 里边 这个 电梯 正在 以 加速度 a 往上升 我们 学过 中学物理 的 同学 应该 知道 一个 电梯 加速 往上升 的 时候 电梯 里 的 物体 相对 于 电梯 就 会 有 一个 向下 的 加速度 因为 电梯 加速 上升 小球 不 加速 上升 所以 小球 相对 于 电梯 有个 向下 的 加速度 这个 向下 的 加速度 就 好像 小球 受到 了 一个 力 一样 这个 力 叫做 惯性力 惯性力 的 大小 等于 质量 乘以 加速度 The magnitude of the inertial force is equal to the mass multiplied by the acceleration 那么 假如 这个 电梯 的 加速度 和 重力 加速度 g 是 一样 的 这个 时候 小球 看起来 也 是 往下掉 并且 加速度 是 g 就是说 你 旁边 没有 星球 但是 电梯 正在 往上 以 加速度 g 往上升 你 看起来 这个 小球 就是 以 g 加速 下降 的 这种 情况 下 没有 引力 但是 有 加速度 爱因斯坦 说 你 在 电梯 之中 你 能够 区分 我 这个 小球 加速 下降 是 由于 引力 造成 的 还是 由于 加速度 造成 的 吗 你 不能 区分 所以 引力 和 加速度 是 什么 的 是 等效 的 这个 就是 所谓 的 等效 原理 当然 后来 又 有 所谓 的 弱 等效 原理 Of course, there was the so-called weak equivalence principle 强 等效 原理 等等 这些 说法 但是 基本 的 意思 就是 他 把 引力 和 加速度 等效 起来 了 你 感觉 自己 受到 了 引力 很 有 可能 你 没有 受到 这个 引力 而是 有 一个 加速度 反过来说 你 有 一个 加速度 之后 感觉 到 受到 惯性力 了 你 也 可以 认为 没有 加速度 而是 受到 一个 引力 这 两种 情况 我们 在 一个 电梯 的 里边 我们 是 没有 办法 进行 区分 的 在 1911 年 的 时候 爱因斯坦 还 发表 了 一篇 论文 做 了 一个 思想 实验 就是 爱因斯坦 电梯 他 说 假如 你 在 一个 电梯 里边 发现 有 一束 光射 到 电梯 内部 了 结果 这个 光 发生 了 弯折 那么 有 两种 可能 第一种 可能 就是 因为 这个 电梯 正在 加速 上升 第二种 可能 就是 因为 电梯 处在 一个 引力场 中 所以 引力场 也 是 可以 使 光线 发生 弯折 的 说 了 这么 一个 问题 那么 从 等效 原理 出发 爱因斯坦 就 可以 去 规定 什么 是 惯性 系 了 咱们 回头 想一想 那个 跳楼 的 人 那个 人 在 从 这个 楼上 跳下去 的 时候 他 受到 了 地球 的 万有引力 是 向下 的 同时 因为 他 有 一个 向下 的 加速度 所以 受到 一个 向上 的 惯性力 这 两个 力会 抵消 所以 这个 人 感受 的 是 失重 状态 也 就是 他 感觉 自己 好像 飘起来 了 一样 那么 在 这种 情况 下 我们 就 可以 把 这个 人 规定 为 一个 惯性 参考系 我 再说 一下 就是 传统意义 上 来讲 这个 人 如果 跳楼 的话 那 这个 人有 个 加速度 所以 他 不是 惯性 系 但是 爱因斯坦 说 此时 他 的 引力 和 惯性力 会 抵消 掉 所以 呢 所以 这个 人 就 可以 认为 他 是 一个 惯性 系 我们 把 它 完整 的 说 出来 从 等效 原理 出发 它 可以 定义 惯性 系 了 什么 叫 惯性 系 呢 就是 在 一个 引力场 中 比如说 地球 就是 一个 引力场 在 引力场 中 一个 做 自由 运动 而且 还 不 旋转 一 旋转 这个 事 就 不 太 对 了 一个 做 自由 运动 而且 不 旋转 的 参考系 是 什么 参考系 呢 就是 我们 刚才 所说 的 惯性 参考系 这样 爱因斯坦 就 找到 了 惯性 参考系 是 吧 就是 你 只要 在 引力场 中 你 做 自由 运动 而且 不 旋转 那 你 就是 一个 惯性 参考系 当然 严格 来讲 这个 惯性 参考系 还 必须 是 一个 特别 小 的 范围 才行 大 的 范围 还 不 可以 那么 爱因斯坦 就 解决 了 自己 当年 所 提出 的 第一个 疑问 那么 第二个 疑问 说 这个 引力 咱们 又 该 如何 去 理解 呢 爱因斯坦 也 提出 了 一种 说法 他 说 引力 是 一种 几何 效应 是 一种 几何 效应 这句 话 怎么 理解 什么 叫 几何 效应 呢 简单 来说 比如说 两点 之间 直线 最短 这 就是 几何 效应 对 吧 再 比如说 从 北京 到 纽约 你 不 可能 走 直线 过去 对 吧 你 得 在 地球表面 上 走 但是 在 地球表面 上 走 的 时候 你 也 是 有 一个 最短 的 线 的 我们 可以 管 这 条线 叫测 地线 是 吧 从 北京 到 纽约 有 一个 测 地线 不管 你 是 坐飞机 过去 还是 一个 小鸟 从 北京 飞 到 纽约 测 地线 都 是 这么 长 这 是 由 地球 本身 决定 的 这 就 叫 几何 效应 说 爱因斯坦 是 怎么 想到 引力 是 几何 效应 的 呢 他 回想到 这个 伽利略 的 自由落体 实验 伽利略 说 一轻 一重 两个 铁球 一起 往下掉 的话 同时 落地 对 吧 那么 为什么 会 同时 落地 它 质量 不 一样 为什么 同时 落地 呢 以前 我们 的 理解 是因为 引力 与 质量 成正比 所以 把 这个 质量 约 掉 加速度 就是 一样 的 爱因斯坦 换 了 一种 说法 他 说 也许 这个 自由落体 的 运动 就 好像 是 一个 四维时空 中 的 直线 一样 所有 的 物体 走 这个 直线 时间 当然 都 是 一样 的 因为 它 的 路径 都 是 完全相同 的 跟 这个 物体 自身 的 质量 就 没有 什么 关系 了 我们 为了 解释 清楚 这个 事 咱们 再 来说 一个 例子 比如说 太阳 地球 地球 在 围绕 太阳 一圈 一圈 的 旋转 对 吧 那么 在 四维时空 之中 我们 怎么 去 描述 这个 现象 呢 我们 来画 一个 四维时空 因为 黑板 上 我 只能 描述 出 三维 的 所以 我 就 把 平面 写成 x 和 y 完 了 纵轴 我 就 不 写 z 了 我 写成 一个 时间 t 对 吧 那么 这个 地球 围绕 太阳 一圈 一圈 转 同时 时间 还 在 流逝 因此 在 这个 坐标系 下 地球 的 这个 轨迹 就是 这样 的 大家 能 理解 吗 就是 你 的 这个 (x,y) 坐标 不停 地 变换 完 了 你 的 时间 t 在 一直 增长 是 吧