黑洞-第2部分

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的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
　　　　19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比问力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。但是，尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，他们却拒不接受电力也是如此。
　　　　于是，迈克尔·法拉第（Michael　Farada力和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk　Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那末，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
　　　　这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
　　　　　麦克斯韦的光
　　　　在19世纪末，物质间的作用力被分为三类：引力、电力和磁力。
　　　　电的特征是存在正、负两种电荷c同种电荷相互排斥而异种电荷相互吸引，作用强度随距离变化的关系则与磁力一样。磁力是磁体的特性，磁体吸引铁，并指向地球两极的方向。每个磁体都有两个极，即北极和南极，同种磁极排斥而异种磁极吸引。
　　　　在吸导内排斥的行为上，电和磁看来很相似。古希腊人已经觉察到与毛皮摩擦过的流油能吸引碎草片（英文中电一词就是来自希腊文中琉璃一词），天然磁矿石能吸引铁屑。公元前6世纪，希腊大几何学家泰勒斯（Thales）认为，电和磁是同一种现象，这些奇特的物质含有吮吸周围物体的“精灵”。
　　　　24个世纪以后，丹麦物理学家克里斯琴·奥斯特（Chris－tianoerstCd）在上一堂电流实验课时，一根磁针碰巧正放在他的装置近旁。他注意到，每当接通电流时，磁针就发生偏转。这个发现之后几个星期，安德烈·安培（Anure　rtillpere）和弗兰克·阿拉果（Francois　Arag…）提出了一个理论，即变化的电力产生感应磁力，反之亦然、随后的实验工作充分地证实了电和磁现象之间的密切关系。
　　　　然而，电理论只是在1898年发现了电子后才得到真正验证。这种作为原子基本成分之一的基本粒子，带有不可再分的电荷，因而作为电荷的基本单位。通常的原子是电中性的，因为原子核外电子的负电荷被束缚在核中的正电荷所抵消。电荷可以静止，也可以运动，例如金属导体中的自由电子可以到处运动。正是电行在电场作用下的运动形成了电流。
　　　　类似地，天然磁石的磁性是由其分子之间的微型电流所导致的。在大得多的尺度上，地球的磁场也是由其转动着的镍…次核中电导物质的大规模运动产生的。电与磁的真正统一是在1865年，麦克斯韦把它们的所有性质概括在吸个方程中，建立起了电磁场理论。
　　　　一个静止电行具有不随时间变化的径向电场。当电荷运动时，其周围电场会自己调节到新的位置，场的变动以一个有限速度即光速传播。电荷的任何移动都使场发生这种变动，特别有意义的是，如果电行作用期性运动，则场的变动取波的形式，恰如一根棒子在水里上下搅动时会造成环形水波。麦克斯韦预言，电行的同期性运动将产生以光速在真空中传播的电磁波。
　　　　一个正常峰谷形式的波，两个相邻波峰之间的距离叫做波长，每秒时间内波峰的个数叫频率。人眼能看见的光只是电磁波谱中很小的一部分，即一个很窄的波段。显然，波长越大，频率越小，两者成反比关系。
　　　　观测和理论天文学都建立在电磁辐射的性质的基础上。携带着能量和动量（频率越高，携带得越多）的电磁波对与之遭遇的物质施加一个力。例如，照射到这页书上的光在加热着和推着书纸，太阳发出的电磁风能把彗星的尾巴吹得背离它，恒星核心的辐射压能阻止恒星因自身引力而收缩。
　　　　电磁理论的影响像万有引力定律一样巨大，它在理论上和实践上都给整个人类文明带来了意义深远的结果。麦克斯韦死后8年即1887年，亨利希·赫兹（Heinrich　Herzi）在实验室成功地造出了电磁波。20世纪初，古列莫·马可尼（GugllelmoMarconi）第一次实现了跨越大西洋的无线电联系，电讯时代从此开始。第二章　相对论
　　　　　波动说的疑难
　　　　麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像孩起祸端、通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果；鼻子力学和相对论。
　　　　第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一系列实验提供了辐射的不连续性的证据。
　　　　在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max　Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸收。然而直到1905年，爱因斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射足由其能量与频率成正比的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学与电磁学之间的明显对立直至对年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象性时，才得以消除。
　　　　第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索，从而产生了相对论。
　　　　　运动与静止
　　　　相对论，这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就，其思想并非由爱因斯坦首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久，这通常归功于伽利略，而实际上给出正确表述的是笛卡儿。
　　　　在对自然界的研究中运用相对性原理，意味着可以合理地期望对物理现象的表述不依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式，他们所取的参考系就是等价的。
　　　　伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性：一个在一条停靠港口即相对于陆地静止的船里，另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里，每人都从舱里1米高处释放一只球，则两球都竖直下落，经历的时间都是045秒。
　　　　伽利略知道，由于地球是圆的，驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老思想影响，他因此断定圆周运动是物体的自然状态，与静止不可区分。笛卡儿也认识到，均匀手动，即无限直线上的匀速运动，与静止不可区分。现代人都有这样的体验，坐在停着的火车里看旁边一列开动的火车，会觉得自己的车在朝相反方向开动。
　　　　这些现象都很简单，然而包含着深刻意义，因为它们表明静止与匀速运动之间并无差别。静止是一种惯性状态，与之等价的匀速运动就也是惯性态。
　　　　惯性原理可以表述如下：一个自由物体，即不受任何力的物体，以恒定速度运动。
　　　　地球本身几乎是一个理想的惯性参考系，因为对于通常实验室里时间不长的实验来说，地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里／秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球的自转，可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。
　　　　　射手与火车
　　　　惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位，这些参考系中的自然规律表现为“静止”的形式。伽利略相对论，以及后来爱因斯坦的狭义相对论，都建立在所有惯性系（包括静止参考系和匀速运动参考系）是等价的这个基础上。
　　　　但是，仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的描述，物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述，他们需要的是从一个惯性系转换到另一个的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。
　　　　爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以V二108公里／小时（对米／秒）的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系，静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进方向射出一颗子弹，子弹相对于人的速度是V’2800米／秒。
　　　　运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系，铁轨上的观测者测得的子弹速度是I’＋t＝830米／秒。如果这个人再朝相反方向打一枪，则从铁轨上测量的子弹速度是v’－v二770米／秒。与人们的常识一致，伽利略变换公式可以归结为简单的速度矢量合成。
　　　　　以太
　　　　以太，这个经典力学的不幸产儿……
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——马克斯·普朗克
　　　　如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价，设想一个固定在欧几里德几何的绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说，这个绝对空间缚在太阳上，因为太阳是宇宙的中心。牛顿则认为，绝对空间是以太，是亚里士多德的（气、水、火、土以外的）第五要素，是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。
　　　　电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播：声波要有空气，水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡，也就必然需要一种振动的媒质使之得以传播，于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。
　　　　再来看火车上的射手。这回他用一支光枪，射出速度为30公里／秒的光弹。按照伽利略变换公式，铁轨上的观测者测得的光速应分别是C＋C一月皿皿．奶公里／秒（朝火车前进方向发射时）和C－C＝29999997公里／秒（朝相反方向发射时）。迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morle力的实验，以地球来代替火车，以以太来代替铁轨，证明了以上的推算是错误的。
　　　　　判决性实验
　　　　这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊（AlbertMichelson）和爱德华·莫雷（Edward　Money）在1881到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的绝对速度，为此制作了一台非常灵敏的干涉仪，用来测量沿地球运动方向和