林俊凯 光及相对论

光及相对论
（一）光的认识历程
光是什么？光既听不到也摸不着，即使当它在你的眼前经过时你也还是看不到它，只有当它直冲着你的眼睛而来的时候才能被感受到。自古以来，这个问题就已经引起了人们的注意，但是因为光是如此的特殊，人们对它一直没有深刻的认识。直到十七世纪，才逐渐形成了两种学说，其一是牛顿的微粒说，其二是名气不大的科学家惠更斯提出的波动说。牛顿的微粒说认为光实际上是由许许多多微粒组成的。这种说法比较符合当时的实验观测结果，也能较好地解释光的直线传播与光的反射现象。不过当该学说遭遇光的折射现象时便行不通了。但由于牛顿的名气显赫，微粒说得到当时科学界的广泛支持。而惠更斯提出的波动说虽然能很好地解释光的直进、反射与折射，但是人们并不接受这一说法。把光说成是一种来回振荡是波，多难理解呀！人们还反问道，假设光真的是一种波，那么它应该具有波的特性，例如衍射和干涉。衍射现象指波在遇到障碍物时能绕过障碍物继续传播，而干涉时指波通过两个小孔时会产生两列以两个小孔为波源、与原波波长相等的子波来。对于光来讲，就表现为能绕过单个障碍物，以及在通过两狭缝时，后边光屏上会出现明暗相间的光的干涉图样来。但由于光的波长太小了，肉眼观察不到这些现象，波动说一直处于下风。直到1801年，英国物理学家托马斯8226;杨（1773-1892）在实验室里用显微镜成功地观测到双缝干涉图样来，1818年，法国物理学家菲涅耳又在一圆形障碍物后面发现了“泊松亮斑”，证明了光的衍射的存在。从此科学界也逐渐否定了物理权威牛顿的微粒说，认可了惠更斯的波动说，之后还测量出各种光的频率、波长。麦克斯韦更明确指出光本质上是一种电磁波。然而，19世纪末发现的光电效应，又无法用波动说来解释。于是，爱因斯坦对此进行了思考。恰逢当时普朗克提出了量子力学，爱因斯坦以最新的理论武装自己，认为光的能量不是连续的，而是“一份一份”的能量。他认为这样的能量包谓之“光子”，光既有粒子性有具有波动性，但光子又不同于牛顿所说的微粒，它是没有静止质量的粒子。
光就是这样逐步被人们所认识。到了爱因斯坦的时候，光被他发扬光大，成为研究时间的工具，创立了举世闻名的“相对论”。
（二）狭义相对论
狭义相对论的产生可以说是由一个实验现象引发的。根据经典力学的定律，物体的速度是受到参考系的影响的。这便是相对性原理。举一个很简单的例子，在匀速直线行驶中的车内放一颗球，坐在汽车力的人看到该球认为它是静止的，但站在路边的人看到球却认为它是与车同速运动的。这是妇孺皆知的道理，但这个道理却不适用于光。麦克尔迅—莫雷的实验引发了一系列问题。
地球从西向东一天自转一圈，在赤道上某点自西向东方向运动的速度为0.46千米每秒，这个速度是光速的百万分之1.5。于是，麦克尔迅—莫雷设计了一套十分精确的仪器想来测定光速在不同方向上的差别。但出人意料的是，麦克尔迅—莫雷的装置检测不出由任何差别。
这可让科学家们犯了难。按照相对性原理，任何速度只对特定的参照系讲才有意义，但光速似乎与参照物的选择无关。怎样解决这一对矛盾呢？爱因斯坦以独特的眼光考察了这一对矛盾，提出了狭义相对论。首先它是建立在这样两个基本假设之上：（1）在两个彼此相对作匀速直线运动的实验室内，一切物理现象的进行是相同的，或者说，任何惯性系都是平权的。（2）在真空中光速在任何方向都是相同的。这两点实质上就是相对性原理和光速不变原理。狭义相对论认为：为了解决这一对矛盾，必须抛弃固有的绝对时间和绝对空间的概念。由此可以预言许多奇特的现象。
①运动的时钟变慢了！
运动的时钟会变慢这一预言已被科学所证明。μ介子半衰期约为百万分之1.5秒，但现代科学已发现大气层顶部产生的μ介子可穿越几十公里降落到海平面。即使按光速计算它也只能走几百米。正是由于相对论时钟变慢效应，才使我们能够观察到比静止半衰期长100倍到10000倍寿命的μ介子。
爱因斯坦是怎样证明的呢？假设有两个非常巨大的光时钟。它们异常地大，光从光时钟地上端发出到达下端再反射会上端的时间为1秒。A时钟正在作直线运动，而B时钟静止。那么A时钟光来回一程所走地路程比B时钟地大，根据光速不变原理，当B时钟的光回到出发点的时候，A时钟的光还没回来。此时B时钟的时间已经过了1秒，而A时钟的时间还不到1秒。A时钟变慢了。（如图1）

同时，爱因斯坦还得出了一条公式：以光速度为v运行的时钟是静止时钟的 （c表示真空中的光速，约为3 X 108 m/s）。根据相对论预言的这一效果，小说家创作了许多以宇宙旅行为题材的小说来。故事主人公坐上宇宙飞船再太空里遨游了七年，回到地球时地球已经过了三十年，他的儿子已经和他一样大了。
②运动时观察物体的长度变短。
测量运动中的物体的长度有两种方法。一种是用和物体一起运动的尺子量，得到的是物体的本征长度。另一种是用静止的尺子量，此时测得的数值应该比本征长度短。
为了推出这一点，同样也得做一个假设。有两根完全一样的棒AB与A’B’。AB是静止的，而A’B’相对与AB来说作匀速直线运动。AB棒和A’B’棒中点各有一个观测者C和C ’随棒运动。如图2。

当①时刻A与A’、B与B’分别重合的时候，会发出重合信号。重合信号就是以光为载体，当它随光进入人眼时，人就能判断出发生了重合，从而来比较AB与A’B’的长短。为了使叙述更明确，我们现在直接规定在发生重合时A点和B点会发光。在静止的C点的观察者同时看到两处重合的信号，因此他判断AB棒与A’B’棒等长。而正随A’B’ 棒运动的C’点的观测者呢？当A点和B点发光时，他又向前移动了一段距离，因此BB’处重合的光信号走的路程短了，先于AA’处重合的光信号到达C ’眼中。C’处的人判断BB’先重合，而AA’得过一段时间再重合，即A’B’比AB要长！也就是当你以高速（接近光速）奔跑时，所看到的景物都比正常的要瘦。如果以AB棒为测量对象，则C点的人读数比C’点的人读数大。（因为C’的人用A’B’作为他的尺子）。AB棒相对于C’的人是运动的，因此在测量“运动中的AB”时，C’的人是静止的，C的人是运动的。因此，运动的尺子将变短。反过来若以A’B’为测量对象，同样能得出尺子变短得结论。严格来说，上文将AB假设为完全静止是不科学的，因为根据相对性原理，运动是绝对的，静止是相对的。以上这个仅能在头脑和纸上完成的实验还可以引发其它视差的问题，就不一一列举了。

以上便是狭义相对论的基本思想。不同状态的观测者在观测一束光时，绝不会在光走过的距离和所用的时间者两点上取得一致，而是在光的速度上取得了一致。

（三）广义相对论
爱因斯坦作为一个理论物理学家，在推出广义相对论时也是从一个假设开始的。
首先有一个大前提，即引力与加速度是等效的。在一个加速上升的电梯内（加速度等于重力加速度）和一个受重力作用却静止的电梯内分别进行实验，观测到的现象应该是一样的。假设有一部电梯，电梯左侧某处有一个光源，当电梯静止时发出的光可以平行于地板射到电梯右侧的A点。若电梯正在作向上的加速运动，由于在光射出后未到达右壁之前，电梯又向上走了一段距离，因此光实际上射到了A点以下的地方。光线向地板偏折了。那么光在经过引力场的时候也肯定会受到偏折。当时人们认为光在真空中是直线传播的，即使近旁有大天体也不会发生偏折。因为光是没有质量的，所受引力为零。爱因斯坦这一理论又打破了一项传统观念。对此问题爱因斯坦提出了一个“膜理论”，更形象地解释了这个问题。
“膜理论”认为空间可类似于一张平面的膜，当空间中存在一个有质量的物体时，空间这张“膜”就会被扭曲了，就像在一张有弹性的布上放一个小球，小球会稍微陷进去。（如图3）空间膜由于有质量的天体而扭曲向下凹陷。当光和其他物体经过天体近旁时，就会像桌球滚过不平的球台时改变运动方向。因为空间已经被扭曲了。这种现象已经疲科学所证实。1919年5月日全蚀时，人们首次观测到了这一现象。1922年9月21日日全蚀时，人们测出太阳引力使经过近旁的星光偏折了1.72’’，这同爱因斯坦计算的1.72’’已经非常接近了。


由于光能被引力所偏折，那如果引力场足够大，以致于光线经过天体表面时往天体中心偏折而无法逃逸，那么便出现了一种新类型的天体——黑洞。根据开普勒定律，天体表面的加速度于天体质量成正比，于天体半径的平方成反比。如果在足够小的空间内聚集足够多的质量，那么就可以形成一个黑洞。利用膜理论来讲便是膜下陷形成一个“奇点”。（如图4）

在奇点处，“一切科学预见都失去了效果”。没有时间，没有空间。宇宙爆炸说正是认为宇宙起源于奇点。

关于相对论，还有几点补充。物体在以接近光速的速度运行时，质量会增大。随着速度的增大，质量的增大超越了指数增长而呈“J”形增长。这样要使物体加速所需的能量便越来越大。在无限接近光速时，质量也变为无限大。再加速所需的能量也达到无限大。因此，物体不可能达到光速。事件的发生所产生的影响范围也不能超越光速所达到的范围。也就是说，如果太阳在一瞬间消失得无影无踪，但太阳消失的事件并不会立即到达地球，而是在8分钟后才到达地球。在这8分钟内，地球上的人仍然看得到太阳，而且地球还会绕着一个不存在的“太阳”为中心旋转，即引力场也要过8分钟之后才能消失。但根据经典力学和开普勒定律，只要中心天体消失，引力也消失了。如果用膜理论便更容易理解。如果将小球拿掉，弹性膜不可能立即恢复平整。可以画出事件的时间光锤来表示事件的传播。（如图5）

相对论也并不是一个大一统的理论，它只适用于某个范围。在大天体的大范围内相对论还是体现出其科学预见性，但在量子水平的运动相对论就无可适从了。另外还有DI海格立斯双星的进动和宇宙膨胀问题上存在着暂时的死角。2004年4月，美国将发射一颗科研卫星引力探测器B来证明爱因斯坦相对论的正确。如果实验成功，将进一步证实相对论！尽管相对论无法解释天地万物，但不可否认到目前为止它仍然是一个相当完美的理论。正如没有一张地图能够原原本本地还原整个地球，而只能反映局部地区，我们却不能说这张地图是错误的。

参考书目：
1、《全日制普通高中教科书8226;物理》
2、《时间简史》
3、《神奇的物质世界》
4、《图说相对论》等

林俊凯
2004-03-27