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狭义相对论不是全部

时间:70-01-01 08:00 来源:

  图:日全食期间不仅可以看到日冕,而且在适当的条件下,距离太阳很远的恒星也可以看到日冕。有了正确的观测,人们就可以用牛顿引力的预测来检验爱因斯坦广义相对论的正确性。1919年5月29日的日全食,现在已经整整100年了,也许标志着人类科学史上最伟大的进步。但是,一个涉及引力红移的完全不同的思维实验,可能早在几年前就证明了狭义相对论的不足。当涉及到像物理学这样的科学时,如果我们希望理解我们周围的宇宙,理论上的期望总是要面对实验结果。从理论上讲,我们可以设想任何我们喜欢的粒子和力的结构,然后——当我们的技术能力允许的时候——我们可以把这些期望付诸试验,找出我们的理论有多好。

  当然,有时我们会领先于自己,并设想我们没有可预见的执行方式的实验。 但是,这并不是我们理论上的缺陷,而是一个功能。 用我们自己的想象力,即使没有使之实现的实验装置,我们也可以进行自己的思想实验:爱因斯坦用他的母语德语称其为格丹肯(gedanken)实验。 如果我们的设想是正确的,我们可以用一种想法来证明,狭义相对论,爱因斯坦最伟大的发现之一,是不可能完全正确的。

  图:引力透镜可放大和扭曲背景源,使我们能够比以往看到更暗,更远的物体。 这可以很好地用广义相对论来描述宇宙,但是在平坦的空间中,您可以明确地表明宇宙不会具有一致的意义。每个理论,思想或假设都将始终具有有限的有效性范围。 牛顿的运动定律非常有用,可以描述落自由落体的球,在太空中运行的月球,绕太阳旋转的行星和彗星的运动,等等。 尽管取得了数百年的巨大成功,但这些法则并不能说明一切。

  当我们开始非常详细地观察水星轨道时,我们发现牛顿的万有引力定律不能完美地描述水星轨道的行为。 在预测的基础之上,始终观察到微小的额外进动,因此需要进行解释。 此外,当速度接近光速时,牛顿方程无法预测粒子的行为。 在适当的条件下,牛顿对宇宙的表述将需要修改。

  图:对于以不同相对速度移动的观察者来说,“光钟”的运行方式似乎有所不同,但这是由于光速的恒定性所致。 爱因斯坦的狭义相对论定律这些时间和距离的转换是如何在不同的观察者之间发生的。爱因斯坦的相对论是使物理学超越牛顿力学束缚的第一次认真尝试。 爱因斯坦没有像牛顿那样将空间和时间视为绝对,而是将它们密不可分。 您移动越接近光速,沿您的运动方向收缩的距离就越多,而外部时钟运行的速度就越慢。

  同样,一个静止的观察者观察到您运动时,会看到您的时间的长度收缩和时间的膨胀与运动的相对速度直接相关。 然而,即使在狭义相对论中计算物体动能(或运动能)的规则与牛顿力学中的不同,能量仍然是守恒的,并且可以从一种形式转换为另一种形式。这一事实至关重要,并导致我们伟大的思想实验表明,狭义相对论不可能完整。

  图:1934年,爱因斯坦为旁观者推导了狭义相对论。对正确的系统应用相对论的结果要求,如果我们要求能量守恒,E=mc^2必须是有效的。爱因斯坦的另一个重大突破是质能等效的概念。通常表示为E=mc,这意味着存在的任何质量粒子(或反粒子)所固有的能量量等于该粒子的质量乘以光速平方的因子。正如爱因斯坦最初所说,它也可以写成m=E/c,它详细说明了你将通过用特定数量的能量(E)创造一个粒子来达到的质量(m)。

  如果你采用粒子-反粒子组合,其中粒子和反粒子都有一个特定的质量,你可以把它们从静止状态碰撞到一起,然后看着它们湮灭。当它们这样做时,一个常见的结果是它们将产生两个光子:无质量的粒子,它们将以特定的能量以180°的角度相互离开。从爱因斯坦最著名的方程中,把粒子和反粒子的质量(m)转换成纯能量,每个粒子都将拥有精确的能量E。

  图:从纯能量产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右),物质/反物质湮没回纯能量。当一个光子被创造然后被摧毁时,它会同时经历这些事件,而完全不能经历其他任何事情。如果在动量中心(或质量中心)静止帧中操作,粒子/反粒子对(包括两个光子)将彼此以180度角压缩。到目前为止,没有任何争议。我们可以让粒子-反粒子对处于静止状态并将其湮灭,产生两个特定的、定义明确的能量光子。此外,我们还有牛顿旧公式中的动能和势能的概念,还有狭义相对论,它告诉我们,真空中的光速是宇宙的终极速度极限,而大质量粒子的运动速度必须始终低于这个速度。

  但我们可以从这些要素中创造出一个有趣的思维实验。事实上,我们可以从这个思想实验中证明,一个完全存在于广义相对论中的现象——引力红移和蓝移。如果有人早在1905年就这么想,也许他们甚至会击败爱因斯坦,提出20世纪最具革命性的想法。

  图:如果在地球表面上方有一个静止的粒子(或粒子-反粒子对)处于橙色,则它将没有动能,但有很多势能。 如果然后释放粒子或系统并使其自由下落,则当势能转换为运动能时,它将获得动能。 这种思想实验是证明狭义相对论不足的一种方法。想象一下,您将粒子与反粒子组合起来,然后从某个高度很高的地球北极上方开始。 因为您位于极点,所以您所处的地球自转没有动能。 相反,由于您的海拔高度,所有额外的能量都以重力势能的形式出现。 所有这些,再加上粒子和反粒子的剩余质量能,就是您开始的全部。

  现在,假设您同时丢下了粒子和反粒子,然后将它们放在一起。 当它们下降时,它们都将保持由E = mc定义的静止质量能,但是它们的势能将转换为动能:运动能。 如果要在粒子和反粒子到达地面之前对其进行测量,就会发现它们具有与释放粒子之前相同的能量。 唯一的区别是重力势能已转换为动能。

  图:当粒子-反粒子对相遇时,它们湮灭并产生两个光子。如果粒子和反粒子处于静止状态,光子能量将分别由E=mc来定义,但是如果粒子处于运动状态,产生的光子必须更有能量,这样总能量总是守恒的。当你看上面的图片,其中的箭头代表的速度的粒子反粒子对的问题,所有三个位置都有相同的能量。在橙色的情况下,所有的能量都是静止质量加上势能;在蓝色的情况下,它都是静止质量加上动能;在黄色(中间)的情况下,它是静止质量加上势能加上动能,势能正在转化成动能的过程中。

  现在,我们可以在这个平凡的例子中加入一个怪念头:在这三个想象的位置中的每一个,我们可以让粒子-反粒子对自发地湮灭以产生两个光子。在这三种情况下,湮灭将产生两个特定的、定义明确的能量光子。

  图:如果你将一个粒子-反粒子对湮灭为具有大量引力势能的纯能量(两个光子),那么只有剩余的质量能量(橙色)转化为光子能量。如果你把粒子和反粒子抛向地球表面,只让它们在撞击前湮灭,它们就会有更多的能量,产生更蓝、更高能的光子。但是,如果我们开始考虑产生的光子的能量,这三种情况将不再相同。

  对于最初的橙色情况,粒子和反粒子均处于静止状态,因此,当它们消失时,两个光子的能量完全来自静止质量:E = mc。但是当势能转换为动能时,该粒子对反粒子现在处于运动状态,并且当它们消灭时,光子能既来自粒子和反粒子的其余质量,也来自粒子和反粒子的动能。 在运动中。 从质点的动量来看,能量还有一个附加项:E = mc + p / 2m。而且,如果您让那对粒子与反粒子在撞上地面之前就湮灭了,那么就不会剩下任何势能了。 所有这些都将转换为动能,并且您在底部产生的光子将拥有全部最多的能量。

  图:当恒星靠近超大质量黑洞时,它将进入空间弯曲更严重的区域,因此从恒星发出的光具有更大的潜能。 能量的损失导致引力红移,与我们观察到的任何多普勒红移(速度)无关,并叠加在其上面。 这仅在2018年观测到的超大质量黑洞人马座A *附近的恒星S0-2绕行时才观察到。为了保持能量守恒,你从一对粒子反粒子对中产生的光子必须比你在高空静止时从一对粒子反粒子对中产生的光子能量更大,波长也更蓝。事实上,我们可以把思维实验向前推进一步,想象我们:

  在高空静止的一对粒子反粒子,湮灭它们产生两个光子,然后让这两个光子深入到由一个巨大的源产生的引力势阱中。光子怎么了?如果狭义相对论是正确的,它们将保持不变。但实际上不会发生这种情况。相反,为了节省能量,我们必须接受光在通过引力场时必须改变波长(因此,频率和能量也必须改变)。如果光子逃离了引力场,会被红移;如果光子陷得更深,会被蓝移。

  图:当一个辐射量子离开引力场时,它的频率必须被红移以保存能量;当它落入引力场时,它必须被蓝移。只有万有引力本身不仅与质量有关,而且与能量有关,这才有意义。引力红移是爱因斯坦广义相对论的核心预言之一,但直到最近才在像我们的银河系中心这样的强场环境中被直接测试。在爱因斯坦1916年对广义相对论的最初表述中,他提到光的引力红移(和蓝移)是他新理论和第三次经典实验的必然结果,在水星近日点进动(当时已经知道)和星光被引力源偏转(1919年日全食期间发现)之后。

  尽管思维实验是一个非常强大的工具,但实际实验直到1959年才赶上,庞德-雷布卡实验最终直接测量了引力红移/蓝移。然而,只要援引能量必须守恒的观点,以及对粒子物理学和引力场的基本理解,我们就能了解到光必须在引力场中改变其频率。

  图:哈佛大学杰斐逊大厦(jefferson towers)低端的物理学家格伦雷布卡(glen rebka)在著名的庞德雷布卡实验(pound rebka experiment)进行期间给庞德教授打电话。通过能量驱动装置的发射或吸收部分,科学家可以直接测试广义相对论的能量损失/增益预测,以确定经历引力红移和蓝移的光子的正确能量转移。发生这种事也是好事!如果光保持相同的频率,不管它在引力场中的位置如何,我们可以:

  首先用反物质湮灭地面上的物质,建立一个反射镜,将光子向上反射,远离引力源,将这些光子重新形成物质和反物质(只有在引力红移不存在的情况下才有可能)。然后让它们回到地球,在那里它们到达的动能都是“自由”能。如果你不喜欢永动机或违反热力学定律,你可以自己想到这一点,并立即意识到狭义相对论并不是全部。把它概括为包括引力物理学是从狭义相对论到广义相对论的重大飞跃。虽然我们无法预测大自然会做什么,直到我们把它放在一个实验测试,思想实验可以教我们在哪里寻找新物理的暗示。当科技真的赶上时,我们总是对自然世界有所了解。香港马会王中王官网马会挂牌之全篇完整篇

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