从爱因斯坦电梯到引力波
作者：神人无功
　　爱因斯坦电梯。
　　神人无功
　　当一部上升中的电梯的钢缆突然崩断，电梯向地面做自由落体运动，如果爱因斯坦脚下是一个弹簧称，他会发现重量为0――失重了。爱因斯坦可以在地上走路，也可以在墙壁上走，甚至可以在天花板上走。
　　如果电梯里种着一棵牛顿苹果树，当苹果瓜熟蒂落时，苹果会悬空着静止不动，而不会落向地面。牛顿要是生活在这个空间里，万有引力定律就发明不出来。引力怎么就莫名其妙地消失啦？好奇怪噢！
　　而这在地面观察者(看苹果落地的牛顿)看来就一点也不奇怪。电梯、爱因斯坦、弹簧称和苹果，都在万有引力的作用下，严格遵循落体定律做匀加速运动。要知道，落体的速度是与物体的质量大小无关的――无论是几吨重的电梯，还是几百克重的苹果。
　　爱因斯坦正是通过这部思想电梯想到了广义相对论。这个理论的基本原理就是：物理规律在所有的参照系――惯性系和非惯性系(或称加速系)――中都是等效的。这叫“等效性原理”。
　　让爱因斯坦电梯继续落。如果上帝突然把地球拿掉，电梯由于失去了地球引力的作用，速度就不会再增加(当然也不会减小)。电梯现在只有由质量与加速度乘积构成的惯性力，在太空中做匀速直线运动，像一艘宇宙飞船一样，失重的状态依然保持。在电梯里看不见外面的爱因斯坦不会知道这个变故，一定认为电梯还在往下掉。
　　这里，万有引力与惯性力等效，加速系(自由下落的电梯)与惯性系(自由飞翔的电梯)等效。
　　那么，万有引力是怎样对物体产生作用的？
　　还是回到爱因斯坦电梯。
　　在下落的电梯中，爱因斯坦从电梯的一端水平地向另一端发射一束激光，光源是1米高，光着点是多高呢？看那只平常有重量的苹果都会悬空不动，光束运动的方向没有任何理由偏转，因此一定是1米高。在爱因斯坦看来，光走了一条水平的直线。
　　而地面的牛顿看到的却是另一番情形。尽管光依然是从电梯1米高的光源到电梯1米高的光着点，但因为电梯是加速下落的，光线像追着那一米高的光着点一样，走一条向前下方延伸的抛物线，而且由于加速的原因，抛物线的曲率会越来越大。
　　如果电梯停在地面呢？现在变化的是爱因斯坦，他由一个加速系(下落的电梯)的观察者，变成了一个惯性系(地球)的观察者。那么，变化的不是牛顿，而应当是爱因斯坦。牛顿呢，根据等效性原理，他现在看到的跟先前看到的一定是一样的。那么此时的爱因斯坦看到的，也只能是一条抛物线。
　　又如果电梯向上开动。牛顿看到是同样曲率的抛物线。爱因斯坦看到的，则是一条曲率更大的抛物线。因为此时光线的下降速度，除了在静止时看到的，还要叠加一个与电梯上升速度相同的速度。
　　三种情形，对于电梯里的爱因斯坦感受到的重力(引力)效应分别是什么？光线平直时，爱因斯坦失重；光线正常弯曲时，他感受到正常的重力；光线曲率加大时，他感受到加大的重力。(这些感受都可以用电梯里的一个弹簧称验证)
　　光线是什么？光线是几何学里“直线”的物理表征。“直线”是什么？直线就是从一点到另一点之间最短的线段。不过，上面有两种情形光线可都是曲线呀！但不管怎么说，这一定是最短的路线，或者说是作用量最小的路径。所以，现代物理学用“短程线”或“测地线”的概念代替了“直线”的概念。
　　爱因斯坦据此告诉我们：万有引力不是直接对物体起作用，而是对空间(严格地说是对时空)起作用的。万有引力扭曲了空间，空间的曲率与万有引力的大小成正比。
　　空间好比一丝网，没有引力作用时，钢丝网是平直的。一只牛顿苹果待在这张网上会静止不动，如下落的爱因斯坦电梯中的那只一样。当地球放在这张网上，就会把这张网压出一个坑，牛顿苹果就会沿着被压弯的曲面，走短程线滚到坑底。
　　更严格地说，压根儿就没有什么万有引力。引力现象不过是一种质量效应。有质量的物体都会产生一个引力场，质量越大，场量就越大，造成空间弯曲的本领也就越大。
　　这种引力场一定是以引力波的形式传播的。最近研究人员宣布：已经探测到了引力波。
（责任编辑：李振梁 HN063）
03/10 16:2002/12 22:05
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