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咱們先來(lái)看看牛頓都取得些什么成就牛頓從絕對(duì)時(shí)空觀出發(fā)，秉承了自哥白尼、伽利略、笛卡兒、開普勒以來(lái)的優(yōu)秀科學(xué)成果，  界定了物理學(xué)上的基本概念，總結(jié)出牛頓力學(xué)三大基礎(chǔ)定律；發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律，把天上和地下的物理統(tǒng)一了起來(lái)，構(gòu)建起了經(jīng)典物理的大廈。并且他的動(dòng)手能力很強(qiáng)，親手發(fā)明制作了反射式望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)然還發(fā)明了微積分。  各個(gè)成果都?jí)蚪裉斓闹Z獎(jiǎng)級(jí)別。在他眾多的科學(xué)成果里，最主要的還是力學(xué)三大定律和萬(wàn)有引力定律，這也是經(jīng)典物理體系的核心和基礎(chǔ)。 牛頓物理學(xué)承認(rèn)時(shí)間和空間是與物質(zhì)一樣有獨(dú)立而實(shí)在地存在，這是因?yàn)榕ｎD繼承了伽利略的加速度概念，而加速度只可能是相對(duì)于“時(shí)間和空間的加速度”，為了使加速度具有實(shí)際意義，就必須把空間看作是靜止的，把空間看作是獨(dú)立的物質(zhì)，只不過(guò)牛頓本人及同時(shí)代的人感到把空間本身和空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)說(shuō)成是具有物理實(shí)在意義并不太妥當(dāng)，但為了使力學(xué)具有明確的實(shí)在意義，當(dāng)時(shí)沒(méi)有別的辦法。由此可見(jiàn)，把時(shí)間和空間看作是先驗(yàn)于物質(zhì)存在的絕對(duì)時(shí)空觀是多么地深入牛頓的思想中。牛頓物理雖然也繼承了伽利略的相對(duì)性原理，但他僅把相對(duì)空間和運(yùn)動(dòng)看作是絕對(duì)空間可動(dòng)的部分或其量度。他曾以“水桶實(shí)驗(yàn)”來(lái)證明絕對(duì)空間的存在：  水桶剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，水沒(méi)有跟著水桶壁運(yùn)動(dòng)，水和桶壁之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大，但水桶中的水是平的；而當(dāng)水和水桶壁一起轉(zhuǎn)（沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)）時(shí)，水面卻是凹的，說(shuō)明水的圓周運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而存在絕對(duì)靜止的絕對(duì)空間，他的觀點(diǎn)遭到馬赫的批判和愛(ài)因斯坦的顛覆。  馬赫認(rèn)為水沿桶壁上升是離心力作用的結(jié)果，水桶實(shí)驗(yàn)只是證明了水桶壁和水之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不能引起顯著的離心力，實(shí)際上這離心力是水對(duì)大質(zhì)量地球相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的，如果讓水“不動(dòng)”，而讓地球飛快轉(zhuǎn)動(dòng)，水同樣也能沿水桶壁上升，運(yùn)動(dòng)還是相對(duì)的，沒(méi)有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦受到了馬赫思想的啟發(fā)，最后徹底顛覆了絕對(duì)時(shí)空觀。 牛頓的萬(wàn)有引力定律認(rèn)為萬(wàn)物之間都存在引力，引力的大小與物體之間的距離和質(zhì)量有關(guān)，引力之間的作用是超距的，即不需要時(shí)間傳遞，至于引力是什么？怎么作用和傳遞的？以及物體間為什么有引力？牛頓是一概不知。 咱們?cè)賮?lái)看看愛(ài)因斯坦的成就針對(duì)牛頓經(jīng)典物理存在的問(wèn)題，還有麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)并不滿足伽利略相對(duì)性原理的問(wèn)題，還有“以太漂移”實(shí)驗(yàn)關(guān)于光速不變的問(wèn)題，愛(ài)因斯坦大膽創(chuàng)新，提出了自己的看法，并最終創(chuàng)立了現(xiàn)代科學(xué)理論。  首先他認(rèn)為相對(duì)性原理應(yīng)該是一個(gè)普遍性原理，也應(yīng)該適用于電磁力，之所以不適用于電磁力，是因?yàn)橘だ韵鄬?duì)性原理只是個(gè)關(guān)于空間的相對(duì)性原理，里面缺少了時(shí)間的相對(duì)性，愛(ài)因斯坦放棄了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，把這個(gè)相對(duì)性進(jìn)行了推廣，然后與光速不變?cè)斫Y(jié)合，成功地創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。解決了當(dāng)時(shí)所有的問(wèn)題，確立了相對(duì)時(shí)空觀。結(jié)合上面對(duì)牛頓的敘述可以看出，相對(duì)性原理從伽利略時(shí)就一直貫穿其中，相對(duì)性也是科學(xué)理論的基礎(chǔ)和根本性的問(wèn)題，對(duì)相對(duì)性的深刻理解推動(dòng)著科學(xué)的發(fā)展，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的廣義相對(duì)論更有力地證明了這一點(diǎn)。 狹義相對(duì)論只是慣性參考系（沒(méi)有引力）下物體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)理論，它并不適用非慣性系的情況，但現(xiàn)實(shí)中幾乎都是非慣性系的情況，引力也處處都在，特別是狹義相對(duì)論的一些結(jié)論還會(huì)產(chǎn)生一些難以解釋的“悖論”，比如說(shuō)“雙生子佯謬”，  所謂“雙生子佯謬”說(shuō)的是哥哥乘坐近光速飛船離開地球，按照狹義相對(duì)論鐘慢尺縮效應(yīng)，在地面的弟弟會(huì)看到哥哥所在飛船里鐘表的時(shí)間過(guò)的比地面的鐘慢，但根據(jù)相對(duì)性，在飛船的哥哥看來(lái)，弟弟所在地面鐘表的時(shí)間過(guò)的比飛船的鐘慢。兩個(gè)結(jié)論產(chǎn)生了矛盾，但根據(jù)狹義相對(duì)論，這兩個(gè)結(jié)論都是對(duì)的，這是怎么回事？狹義相對(duì)論解釋不了，直到廣義相對(duì)論創(chuàng)立以后，這個(gè)問(wèn)題才得到完美解釋。原來(lái)哥哥乘坐近光速飛船離開地球再回到地球，存在加速和減速的過(guò)程，按照廣義相對(duì)論解釋，哥哥乘坐的飛船變換了好幾個(gè)參考系（時(shí)空），時(shí)間真的膨脹了。哥哥回到地球以后，顯的比弟弟年輕多了。  當(dāng)然如果哥哥乘坐飛船一直勻速直線飛行不再回地球，那狹義相對(duì)論的結(jié)論是對(duì)的，哥哥和弟弟互相看到對(duì)方的時(shí)間變慢，這就是時(shí)間同時(shí)性的相對(duì)性。 廣義相對(duì)論不僅能解釋時(shí)光穿越旅行的問(wèn)題，更主要的，它是個(gè)關(guān)于引力的理論。我們知道狹義相對(duì)論不能解決非慣性系，即有加速度的情況。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)非慣性系的加速度等效于一個(gè)慣性系加上引力，他常常用太空中的一個(gè)升降機(jī)來(lái)解釋：  如果在沒(méi)有任何引力的太空，對(duì)這個(gè)升降機(jī)向上施加一個(gè)拉力，使這個(gè)升降機(jī)以9.8米/秒2的加速度向上運(yùn)動(dòng)，那升降機(jī)里的人無(wú)法判斷自己是在向上以9.8米/秒2的加速度上升，還是受到地球引力且相對(duì)靜止于地球。愛(ài)因斯坦認(rèn)為加速度等效于引力場(chǎng)局域，這就是等效原理。愛(ài)因斯坦從等效原理出發(fā)，結(jié)合推廣到非慣性系的相對(duì)性原理（廣義協(xié)變，物理定律在任意參考系具有相同的形式），利用黎曼幾何和張量分析等數(shù)學(xué)工具，一氣呵成廣義相對(duì)論。他認(rèn)為大質(zhì)量天體彎曲了周圍時(shí)空，引力不過(guò)是時(shí)空彎曲的幾何效應(yīng)，彎曲的時(shí)空就是引力場(chǎng)，宇宙中充滿了天體，因而宇宙時(shí)空是彎曲的，平直的時(shí)空是不存在的。物體在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)不過(guò)是沿著“測(cè)地線”運(yùn)動(dòng)。  他對(duì)引力的本質(zhì)以及如何“作用”和傳遞作了一次有益的探索，他否定了牛頓關(guān)于引力的“超距作用”，認(rèn)為引力的傳遞是需要時(shí)間的，速度為光速，因?yàn)橐εc時(shí)空有關(guān)。 未來(lái)的愛(ài)因斯坦應(yīng)該做什么成就？在1915年發(fā)表廣義相對(duì)論以后，至今已百余年，經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次實(shí)踐的檢驗(yàn)，它的眾多預(yù)言被一一證實(shí)，廣義相對(duì)論已成為人們研究引力以至宇宙的有力武器，是迄今為止最好的引力理論。也是反映最根本最基礎(chǔ)物理規(guī)律的科學(xué)理論。廣義相對(duì)論就是愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上把相對(duì)性原理再次推廣到所有參考系的革命性成果。愛(ài)因斯坦創(chuàng)立兩個(gè)相對(duì)論的過(guò)程，實(shí)際上也是把相對(duì)性原理的適用范圍從力學(xué)推廣到電動(dòng)力學(xué)，然后再推廣到引力的過(guò)程。然而相對(duì)性原理的推廣到廣義相對(duì)論并沒(méi)有到盡頭，按愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，還有電磁場(chǎng)和引力場(chǎng)統(tǒng)一的“總場(chǎng)”，自然界的四種作用力至今還沒(méi)統(tǒng)一，也許在對(duì)相對(duì)性原理再次推廣的基礎(chǔ)上又有新的突破，取得可以比肩愛(ài)因斯坦的成就。 |
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