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爱因斯坦类比,一个灰飞烟灭,另一个取而代之

2021年10月1日  来源:表象与本质 作者:[美]侯世达;[法]桑德尔 提供人:zhaotou97......

爱因斯坦类比,一个灰飞烟灭,另一个取而代之

虽然与电磁学相关的类比既自然又有吸引力,但是它的发现者,也是它的最严厉的批评者,很快就意识到由它导出的万有引力的公式里有一个致命的缺陷:两个物体之间的力不再与它们的质量的积(上面公式里的m?×?M)成比例。引力的这一特性已经确立,并且在引力性质中占据中心位置。任何违反这一特性的尝试,都会让爱因斯坦产生本能的反感。因此,他放弃了与第一个类比相关的思考,并开始探索另一个将万有引力和相对论联系在一起的类比。

在他的新的探索中,爱因斯坦不但把注意力集中在万有引力及其最稳定也最有代表性的特点上,即两个物体之间的引力与其中每一个的质量都成比例的特性,也关注加速参照系,因为它与静止参照系及常速参照系有本质的不同。事实上,因为他的第一个类比的结果不能遵守引力与质量成比例的特性,引力的这一特性成为他探索新理论的主要关注目标。

正是在这一点上,在苏黎世理工学院课堂上学到的那些和加速参照系有关的旧理论观念跳了出来。特别是关于假想力的记忆开始复苏,因为任何假想力都与它起作用的物体的质量成比例。现在用第一人称回放爱因斯坦的思维过程:“嗯……引力让我想起假想力……引力的表现很像假想力。引力与假想力类似……有可能引力实际上就是假想力吗?”这是一个非比寻常的平稳的思维滑动,从开始的平凡回忆到最后的另一个宇宙统一。

为了更清楚地理解这一思想的含义,考察一个爱因斯坦本人用来解释他的新类比的加速参照系的经典例子。这一次,不要想象坐在加速的汽车或火车上。让我们跳上一个漂浮在空间中的立方体星际实验室。这个实验室远离任何一颗星星,名副其实地飘浮在不着边际的空间。现在,在这个场景中再加入一个大力火箭。火箭开始用一根固定在立方体实验室一面外墙的缆绳拉动实验室。如果火箭以恒力拉动实验室,这将令实验室产生均匀加速度,因为如牛顿所述,F=ma,恒力导致均匀加速度。火箭启动之前,实验室里的人在六面墙内飘浮着。此时没有任何理由要确定哪一面墙是“地板”。然而,当火箭开始拉动的那一刻,六面墙中的一面开始接近实验室内的太空旅行者。他们都会撞上这面墙并保持贴着它,因为实验室的均匀加速度打破了平衡,中断了继续在里面飘浮的可能性。这面墙也因而成为实验室的“地板”。

此外,如果有人在实验室里往空中扔出一只铅笔,铅笔会“落在”“地板”上,正如著名的(虽然是虚构的)牛顿的苹果落在他的头上一样。为什么会是这样呢?从实验室外面看,这很明显:地板在以恒定速度移向铅笔,直到二者相撞。与此相反,实验室内的人对火箭一无所知,把自己所在的实验室当作在外空间是完全静止的或者以恒定速度在运动。对他们来说,铅笔落地是因为引力突然莫名其妙地弥漫于实验室内,对里面的人和物发生了作用。当然这个新来的引力在空间里选择了一个特殊的方向,这个方向被称为“下”,而所有事物都朝那个方向落下。

这意味着,如果实验室里有人模仿伽利略从新的“地板”上“站起来”,扔下两个很不一样的物体,诸如一只铅笔和一颗炮弹。这两个物体开始并排“下落”并在同一时刻砸在“地板”上。为什么会是这样呢?再一次,对于在外面的观察者来说,这很明显:这两个物体根本没动。是地板“向上”运动去迎接它们。所以,它当然会在同一时间碰到它们。但是,从在实验室里面的人的角度看,这种现象的出现是因为引力有伽利略观察到的那个关键性质:所有物体都以同样的方式下落,或者说以同样的加速度下落,无论它们的质量是多少。这一性质是伽利略创造性地利用比萨斜塔做实验时首先发现的。

这个实验室内的人感受到的“引力”是典型的假想力,但这里不存在丝毫假想。对于他们来说,这是一个实在的力,存在一个实在的地板、一个实在的屋顶,上和下的区别也是真实的。除非他们违反爱因斯坦思想实验的初衷,设法偷瞥一眼实验室外面,否则这些旅行者没有任何办法区分火箭制造的引力和正常的地球引力,后者是他们从小就熟悉的。这意味着,他们没有任何办法区分他们的实验室是在太空均匀加速还是在地球的引力场中处于静止状态。这两种状况无法区分。

如果感受到了伽利略相对性原理的回音,你没搞错,这正是爱因斯坦所要的。像一个变戏法的高手,他从一个每一个人都觉得很明显的信念开始,即,加速参照系和静止参照系容易区分开来,但却抵达了一个完全相反的结论,即,加速参照系与处于引力场的静止参照系完全无法区分。这是一个多么奇妙的戏法!伽利略一定会对这个将他的两个最伟大的思想结合在一起的智慧欣喜万分。

此外,爱因斯坦发现了一系列不可区分的实验室。这里简单介绍其中的一种。想象在月球表面的一个实验室,这个实验室在某个时刻开始被一个比上文的火箭牵引力稍差的火箭往上拖。由于月球上的引力远比地球上的引力弱,月亮的虚弱的引力和这个力度比较弱的火箭的牵引力加在一起,其结果,对于这个实验室里面的人来说,与上面描述的情况完全一样,他们感到他们现在处于地球的引力场中。显然,我们可以调节按钮来控制(1)实验室所在的“真正”的引力场的力度,以及(2)拖着实验室的火箭的牵引力。在任何一种情形中,我们的调节取得的引力体验对于实验室内部的人来说将等同于地球的引力场。人们无法通过任何力学测试来区分这些想象的实验,只要这些测试完全是在实验室内部进行的。

总之,由于经典力学假想力的记忆浮现在大脑之中,爱因斯坦得以给他钟爱的相对论注入新的生命。而且,爱因斯坦在其他物理学家都认为不可救药的情形中取得了成功。

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