飞向阿尔孔 作者:[德] 罗丹·ｐ
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◆爱因斯坦的万有引力定律
与牛顿的万有引力定律不同的是，爱因斯坦把万有引力看作是以几何形式出现的时一空连续性的引力场特征。阿尔伯特·爱因斯坦对牛顿关于引力与惯性绝对一致的假设提出了疑问，并寻求对这一现象的更合理解释。除此之外，他还驳斥了引力是一种没有任何时间间隔，可对远距离产生影响的力的说法。他认为，地球不可能延伸到太空中，把一个符合惯性原理的物体拖拽过来。为了更好地描述这一自然现象，爱因斯坦构思了一个假想实验。他想象在太空的一座高楼里的电梯缆绳断了，在竖井中呈自由落体状态。在这部电梯里有一个物理学家小组，他们完全不知道面临的灾难，正在进行一个科学实验。他们把硬币、钢笔和钥匙从口袋中拿了出来，张开手，为了让它们坠落。但是什么都没有发生：硬币、钢笔和钥匙都在空中漂浮着，因为根据牛顿的万有引力定律，这些物体和电梯里的乘客在和电梯以同样的速度坠落。由于电梯里的人对于他们危险的处境一无所知，他们要寻找对这一现象的解释。例如他们可能猜测，物体可能魔术般的脱离了地球的引力场，没有重力地漂浮在没有任何东西的空间。这种现象甚至使他们一致认为，如果他们中间的一个人向高处跳跃，速度与他跳跃的强度保持精确的比例，就可以飘到天花板上去。如果他把硬币或钥匙朝任意方向抛去，这个物体就会没有变化地朝这个方向运动，直到撞在墙上。这一切看起来都符合牛顿的惯性定律，即物体或者不做运动，或者是做直线运动。电梯以某种方式变成了惯性系统，它的乘客不可能断定，他们是否会坠落到一个引力场中，或者是无重力地飘在空中。
现在换一个想象的场景。物理学家们还在同一个电梯里，但这次他们是处在没有任何东西的空中，一个天体在远处吸引着它。一条缆绳固定在电梯的顶部，一种超自然的力量卷动着缆绳，电梯以始终不变的速度呼啸着“升高”。乘客们仍然不知道他们身处哪里，于是他们又开始做实验，以便确定自己的位置。这一次他们坚信自己的双脚牢牢地站在地上。如果他们现在向上跳，则够不到天花板，因为他们脚下的地板在同他们一起向高处运动。如果他们把手里的东西松开，东西就会“掉下去”。如果他们把这些东西向水平方向抛去，它们不是直线运动，而是画了一条抛物线后才落到地上。物理学家们一点都不知道，没有窗户的电梯正在宇宙空间向上运动，当然会以为，他们是在地球上一间不动的房子里，并臣服于习惯的万有引力定律。而如果他们的电梯同一个在自由空间漂浮的大型旋转木马一起转动的话，物理学家们将面对同样的问题。他们将注意到，一种无法解释的力从旋转木马的中心向他们抛射过来（一个身处旋转木马之外，懂点物理学的观测者立刻就会明白这是离心力的作用）。与此相反，电梯里的物理学家们由于不了解他们的位置，所以认为这是工作中的重力。如果他们停留的空间是封闭的六面光滑、空空的墙，他们就分辨不出哪个是顶部，哪个是地板，而只能感觉到他们撞到的那面墙的压力。被站在外面的观测者看作是“外墙”的那一面，对电梯里的人来说是“地板”。上和下都是相对的概念。对于我们来说，地球上的“下”只不过是引力产生影响的方向。因此，当他们的电梯在太空中被缆绳“向上”拖拽的时候，电梯里的物理学家们清楚地得出了同样的结论。他们的脚站在“地上”，物体“坠落了”。
这一想象实验的电梯乘客们再次描述了重力现象，并且相信他们是处在一个静止的的引力场中。从这一想象实验中爱因斯坦得出了一个有重大理论意义的结论：惯性与万有引力的等价原理。它证明，任意一种力（加速、弹性碰撞、离心力等等）所引发的运动与万有引力产生的运动是无法区分的。每个飞行员都有这样的经验：在飞机上惯性效应和万有引力效应是无法分清楚的。在飞机俯冲后，不管飞行员是重新将飞机拉起还是紧接着做一个转弯动作，感觉都是相同的。在这两种情形下，出现了一种被称做“引力负重”现象：头部血液涌到了别处，飞行员被强行压进他的座位里。对于不能使用仪器的“盲”飞行员来说，这种影响的相似性同样会带来灾难性的后果。
这一原理是广义相对论的基础，借助这一原理的帮助，爱因斯坦既解决了万有引力问题，也解开了假的“绝对”运动之谜。这一原理清楚表明，不同形式的运动既不是惟一的，也不具有绝对特征。那种（据说是因其作用而被确认为运动的）运动最终证明与万有引力完全不能区分。当一位观察者把旋转木马的运动作用称作是惯性矩或离心力的时候，对另外一个人则意味着它是非常熟悉的万有引力的作用。同样，由于改变速度和运动方向而产生的每一种惯性作用，也就意味着引力场的变换或变化。因此相对论的基本前提是正确的：无论是相同形式的运动，还是不同形式的运动在做出判断时都要考虑到有一个坐标系统——因为没有绝对的运动。
【－本书完－】