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超四维时空的引力场 自然界存在四种力:引力,电磁力,弱力,强力。在10^-29百厘米尺度下,世界是简单的,电磁力,弱力,强力可以被纳入统一的理论框架。但是,该框架包容不下四种基本力中的引力,引力本质上就具有它的特殊性。引力通过以太传递的观念曾被19世纪的许多物理学家所接受,但在以太与物体运动之间的关系上却陷入严重分歧。赫兹,斯托克斯等人认为以太会跟随物体一起运动,但法国物理学家斐索所做的流水对光速影响的实验,否定了这个看法。荷兰物理学家洛仑兹认为以太是一个绝对静止的参考系,以太不跟随物体一起运动,但有人指出,如果以太不跟随物体一起运动,那么物体运动时势必产生“以太风”。然而迈克逊孙子-莫雷实验证实根本不存在以太风。以太的概念从此陷入危机。科学史普遍把迈-莫实验看作是否定以太存在的判决性实验,其实问题并非如此简单,没有检测到“以太风”并不能断定以太一定不存在。相反若从多维时空的角度分析问题,可推测出“以太风”全新的存在方式。实际上,低维空间内的物体运动方式,无法判断高维空间的运动状态。因此迈莫实验在现实四维时空(三维空间+一维时间)中检测不到以太风,不足以证明以太不存在。倒是间接证明了可能存在一种“以太”,这种“以太”作为宙宇背景场,必定与现实四维时空不等维,是超四维时空的。证明引力以太超四维时空属性的最直接证据来自宇宙黑洞,现代宇宙学证实,黑洞可以吞噬四维时空中的一切实物形态,包括光子。然而黑洞却没有吞噬传递黑洞引力作用的引力量子本身,否则黑洞就不会产生巨大的引力作用。黑洞对引力量子的不封闭性,显示引力不可能是四维时空中的物质形态,引力场具有超四维时空属性。还有一个证据值得一提:自从爱因斯坦1916年预言引力波存在以来,许多天体物理学家都致力于此引力波的观测检验,但都没有取得成功。直到1978年年底,美国天文学家泰勒等通过观测PSR1913+16双星的引力辐射阻尼现象,才间接地证明了引力波的存在。引力波的存在毋庸置疑,但迄今为止还没有一个实验证明直接检测到引力波。在现实四维时空中之所以难以直接检测引力波,这是否在提示我们引力场乃是一种超四维时空场?宇宙学谜题的另一个例子是“暗物质”的构成问题,这种不可见的引力物质似乎构成了宇宙质量的90%以上。我们之所以看不到它,是因为这些物质是处于超四维时空中的另一些层面上,而它们的引力却可以影响到我们这三维空间中。
[转贴]相对论简述 -- 广义相对论 1 相对论简述 -- 广义相对论 上一篇我们说到,狭义相对论的整个框架,完全是建立在相对性原理,以及光速不变原理的基础上。爱因斯坦抛弃了被承认了几百年的绝对时空观,将电磁学与相对性原理结合在一起,提出了与观察者运动状态有关的时空观。在这个新的时空观念下,许多原本以为恒定不变的物理量概念,变成了与观察者运动状态有关的相对物理量。整个物理学的背景,都被挂上了相对的含义。 这里我再说一说绝对时空观。因为广义相对论是爱因斯坦第二次打破绝对时空观后所产生的思想。 牛顿时代,大家都对宇宙有这么一个蓝图:整个宇宙好比一个蛋,这个宇宙蛋是绝对静止的。只要我们的科技不断地进步,总有一天可以把整个宇宙的结构给搞清楚,然后建立一个对全宇宙尺度上而言都满足的绝对的坐标系,任何时刻,任何地点所发生的物理事件,在任何情况下的记录值都是相同的。这个绝对的坐标系包括空间坐标,也包括时间坐标,称为普适的参考系。牛顿认为,时间和空间,就是这么一个可以被普适参考系所描述的概念。 在牛顿参考系中,惯性参考系是具有独特地位的。而在惯性参考系中,绝对静止不动的绝对参考系是具有最高优先权的。这类似一个等级制度。在绝对参考系中所描述的物理状态,才是最简洁,最正确,最具有永恒意义的。 我们知道,牛顿力学的规律形式,都是在“静止参考系”内成立的。在非惯性系中,必须引入一个称为“惯性力”的东西,才能使得牛顿力学的规律形式保持原样。同样,在惯性系中,必须引入惯性系相对于绝对参考系的速度,才能够使得牛顿力学的规律形式保持原样。惯性系之间,必须通过坐标变换,才使得俩惯性系之间的力学结果保持一致。同样,非惯性系必须通过另一种坐标变换,才能够使得非惯性系之间的力学保持一致。 这是很复杂的东西。我们有一种预感,就是越复杂的概念,越不准确。 看看相对性原理的第一次扩展,把相对性原理的适用范围,从原本的力学,扩展到了所有物理学规律。这就提示了我们,宇宙的规律,在深层的原理上,是适普而简洁的。 爱因斯坦再一次思考相对性原理,他希望把惯性系这个限制也拿掉,最终成为:在任何参考系内,包括惯性的,和非惯性的参考系,一切物理规律的形式都是一致的。换句话说:处于任何运动状态的观察者,他观察到的物理规律形式,都是完全相同的。 这是一个革命的扩展。第一次扩展,是把物理规律统一起来;这第二次扩展,却把参考系统一起来。爱因斯坦把惯性系的那些可怜的优越地位也剥夺了。在他的理念中,所有观察者都是平等的。 提到非惯性系,就必然要提到非惯性运动,也就是加速运动。然而所谓的“加速”,也是一个相对概念。爱因斯坦抛弃了那个高高在上的绝对参考系,从逻辑上认为“绝对静止”是一个毫无意义的概念。既然绝对静止毫无意义,那么绝对惯性运动也是毫无意义的。没有一个绝对的标准(参照物)可以说某物是处于绝对的惯性运动过程中。所以,加速也是一个相对的概念,只要是另一个处于同样加速运动的观察者来看,这个加速的非惯性运动的物体的运动状态,也就成为了惯性运动状态了。这就是非惯性运动与惯性运动的统一的基础。 我们会说,施加了作用力,才使得物体的运动状态发生改变。我们可以根据观察物体的受力状态,就可以推测该物体是否处于惯性运动状态了。不错,的确如此。不过有一个循环论证的矛盾。我们如何来判断该物体的受力状态?科学的方法是根据其运动状态的改变来判断;而我们又期望通过测量物体受力状态,来推测物体的运动状态的改变。 上述的循环矛盾,对引力来说犹是如此。 一个自由落体的物体,我们根据该物体相对于地面的速度的变化,来判断地面对该物体的引力是多少。而如果我们根本无法测量出该物体相对于地面的速度为如何时,该如何判断该物体受到的引力是多少呢?比如,在一个封闭的自由落体的电梯内的观察者,他该如何判断,他受到的引力是多少?
仿《几何原本》我总结了一下与运动有关的一些定义与公理 公理1:我存在于这个宇宙中。解释:为什么要这么一个公理,因为如果我不存在这个宇宙中,这个宇宙对我没有意义。试问我们无法感知这个宇宙,如何去认识这个宇宙?听起来有点唯心。公理2:你存在这个宇宙中。解释:我们的宇宙存现出多姿多彩,显然我在宇宙中不是唯一。当我们考查一个事物时,必定认为这个事物是在宇宙之中。我们把一切除我之外的事物称之为“你”公理3:“你”和“我”在宇宙中是平等的。解释:这里我们之所以把除我之外的一切事物称为“你”就是体现了这样的平等性,“我”对你来说是“你”的“我”,你对我来说是“我”的“你”。也就是说,当我和你互换角色时,宇宙的性质不变。公理4:“我”和“你”之间一定有距离,距离为0时,“你”等于“我”。解释:如何区分“你”和“我”,这需要一个参数来定义“我”和“你”。这个参数称之为距离,距离可以用数学来度量。定义1:距离度量是均匀的。解释:这里用的是定义,而不是公理,是因为我们在度量距离时,总是规定尺子上的数值是均匀分布的,这样有利于计算。当然也可以用一把尺子数值刻度不均匀分布的尺子来度量与物体之间的距离。比如尺子的刻度变化是一个等差数列或一个等比数列。但是随而来的问题是,我们是依据什么来判断尺子上的刻度变化规律?当然也只能是距离,即距离的距离。用数学来表示型如这样的关系:x=f(x)。满足这样的公式有很多,如:x=sqrt(x^2),x=-(-x)等等。这些关系式实际上就等于x=x。所以为了方便计算,用均匀的刻度来度量距离是我们定义的。公理5:“我”度量“你”与“我”之间的距离等于“你”度量“你”与“我”之间的距离。解释:这个公理是纯粹的公理,没有任何理由认为这是必须的。只是觉得与事实相符。诺令“我”得到的距离是x,你等到的距离是x’时,实际上可以是x=f(x’)的函数,跟据公理4可知,该函数必须是满足当x’=0时,x=0。相对论就是认为这个公理不成立。公理6:距离是有方向的,可用三个参数来表达距离的方向,即空间是三维的。解释:这也是纯粹的公理,没有任何理由认为必须是三维的。公理7:距离是可以变化的,度量距离变化的参数是时间。解释:这个公理我们也别无选择。定义2:时间是均匀的。解释:参看定义1的解释。定义3:时间是永远向前,不会倒退的。解释:这里之所以认为这是定义,也仅仅是因为计算方便。比如当一个物体匀速远离你时,你测量该物的距离是时间的函数:x=x0+vt。过了一段时间后,物体转向以同样的速度返回时。则公式变成x=x1-vt,该试也可表示为x=x1+v(-t),即也可以速度没有变而是时间倒退了。但是当我们周围有多个物体时,当对于一个物体时间表现为倒退时,对于另外的所有物体运动变化的描述,就会产生速度的反转(-v),这样会显得太不经济。有人说“熵”的变大可以证明时间不能倒退。但我们也可以这样解释:如果我们在计算“熵”的增大时,在时间前面加个负号,那么“熵”就变小了。一个花瓶打碎了,无法再复原,那是因为我的时间依然在向前流逝,当时间真的倒退时,回到了花瓶打破之前,我们也回到了从前,花瓶打破的事跟本就没有发生过。所以从物理上讲,时间倒退是很正常的,我们只是为了计算方便,人为设定时间是不倒退的。公理8:“我”度量的时间等于“你”度量的时间解释:参照公理5,相对论就是认为这个公理不成立。因时间关系,还有很多公理没有写。但“相对论”和“牛顿经典空间”最主要的差异就是对公理5和公理8的认同上。显然“同时性的相对性”及“尺缩钟慢”都是对公理5及公理8的修正而已。
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