在笑30——有趣的事儿,搞笑的段子,有意思的东西

空间应该是爱因斯坦式的抽象,还是物理实体呢


相对与绝对

空间究竟是爱因斯坦式的抽象,还是物理实体呢

有些发现可以回答某些问题,有些发现则更为深刻,能够以一种全新的角度提出问题,使人们发现之前的神秘之处不过是因缺乏知识而造成的误解。你可能会穷尽一生的时间——很多古人的确如此——来思考地球的边缘是什么样的,或者试图

想出是谁或者何物居住在世界的尽头。但当你发现地球是圆的,你会认识到之前的神秘问题没法回答,实际上,那个问题问得并不切题。

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20世纪的头20年,阿尔伯特·爱因斯坦做出了两项重大发现。每一项发现都使人类对于空间和时间的认识发生了巨大的变化。爱因斯坦拆除了牛顿建立的严格、绝对的结构,然后以一种前所未有的方式将时间和空间综合起来进而建立了自己的体系。爱因斯坦完成他的工作之后,时间和空间就成了不可分割的统一整体,空间或时间的实在性再也无法通过分别思考空间或时间来得到了。所以到了20世纪30年代末,有关空间的实体存在问题就彻底过时了;按照爱因斯坦式的重组,我们应该问的是:时空是某种事物吗?就是这一小小的修改,使得我们对于实在性的舞台的理解完全换了一种样子。

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在爱因斯坦于20世纪的头几年编写的相对论剧本中,光才是主角。为爱因斯坦那不可思议的洞察力搭建起舞台的正是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。早在19世纪中叶,麦克斯韦第一次发现通过4个强大的方程,人们可以在一个严格的理论框架下很好地理解电、磁及其之间的密切联系。[注释]仔细研究英国物理学家麦克尔·法拉第的工作之后,麦克斯韦写出了这套方程组。法拉第早在19世纪早期就做了成千上万

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的工作之后,麦克斯韦写出了这套方程组。法拉第早在19世纪早期就做了成千上万次实验,研究迄今为止仍未完全搞清楚的电和磁的特点。法拉第的关键性突破在于提出“场”的概念。后来被麦克斯韦和其他科学家加以拓展延伸,“场”的概念在前两个世纪的物理学发展中产生了不可估量的影响,并且解释了我们在日常生活中所遇到的许多小秘密。通过机场安检时,你有没有注意到那台机器是怎样做到不接触你却可以探测到你是否携带有金属物品的?做过核磁共振成像(MRI)吗?一台完全在体外的机器究竟是怎样详细地绘制出体内的图像的?就算你完全不动手,指南针的针头也会自动指向北方,这是怎么回事呢?指南针这个问题与地球的磁场有关。事实上,前两个问题也可以用磁场的概念加以解释。

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我见过的最好的感性认识磁场的方式就是小学课堂里的演示:铁屑在条形磁铁附近的分布。轻微的震荡后,铁屑以规则的弓形排列,起于磁铁的北极,止于磁铁的南极,就像图3.1所示。铁屑的分布就是一个直接的证据,它说明磁铁创造了一种存在于周围空间的、不可见的物质——这种物质可以对金属碎屑这样的东西有力的作用。这种不可见的物质就是磁场,根据我们的直觉,它类似于可以充满某片空间的薄雾或香气,并可以作用于磁铁物理范围之外的物体。磁场与磁铁的关系就如同战场与指挥官,或审计员与国税局:影响远在它们的物理范围之外,它允许力在场中作用于其他物体。而这也是磁场为什么被称作力场的原因。

的工作之后,麦克斯韦写出了这套方程组。法拉第早在19世纪早期就做了成千上万次实验,研究迄今为止仍未完全搞清楚的电和磁的特点。法拉第的关键性突破在于提出“场”的概念。后来被麦克斯韦和其他科学家加以拓展延伸,“场”的概念在前两个世纪的物理学发展中产生了不可估量的影响,并且解释了我们在日常生活中所遇到的许多小秘密。通过机场安检时,你有没有注意到那台机器是怎样做到不接触你却可以探测到你是否携带有金属物品的?做过核磁共振成像(MRI)吗?一台完全在体外的机器究竟是怎样详细地绘制出体内的图像的?就算你完全不动手,指南针的针头也会自动指向北方,这是怎么回事呢?指南针这个问题与地球的磁场有关。事实上,前两个问题也可以用磁场的概念加以解释。

我见过的最好的感性认识磁场的方式就是小学课堂里的演示:铁屑在条形磁铁附近的分布。轻微的震荡后,铁屑以规则的弓形排列,起于磁铁的北极,止于磁铁的南极,就像图3.1所示。铁屑的分布就是一个直接的证据,它说明磁铁创造了一种存在于周围空间的、不可见的物质——这种物质可以对金属碎屑这样的东西有力的作用。这种不可见的物质就是磁场,根据我们的直觉,它类似于可以充满某片空间的薄雾或香气,并可以作用于磁铁物理范围之外的物体。磁场与磁铁的关系就如同战场与指挥官,或审计员与国税局:影响远在它们的物理范围之外,它允许力在场中作用于其他物体。而这也是磁场为什么被称作力场的原因。

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磁场弥漫于空间的能力使其非常有用。机场金属探测器的磁场透过你的衣服,使你带着的金属物体也发出其自己的磁场——这些磁场反作用于探测器,从而使它发出警报。MRI的磁场透过你的身体,使体内特殊的原子以适当的方式旋转并产生它们自己的磁场——然后这些磁场被探测器探测到,解码成一幅内部组织图。地球的磁场透过指南针的外壳,使指针发生偏转,指向北方,这是由于长年

地球的磁场透过指南针的外壳,使指针发生偏转,指向北方,这是由于长年地球物理学过程,使地球磁场方向基本与南北极方向相符。

磁场是一种我们很熟悉的场,但法拉第还分析研究了另一种场:电场。正是由于这种场的存在,羊毛围巾发出噼里啪啦放电的声音;我们接触金属门把手后,与毛毯接触就会发出咝咝的声音;在一个电闪雷鸣下着暴雨的晚上,我们站在山顶上时会有皮肤刺痛的感觉。如果你碰巧在风雨交加的晚上看指南针,磁针偏转的方向和周围电闪雷鸣的环境就会启示我们:电场和磁场之间存在着深层次的联系——电场与磁场之间的联系是由丹麦物理学家汉斯·奥斯特首先发现的,后来法拉第又勤奋地做了很多实验对其进行进一步研究。这就像股票市场的发展会影响债券市场,反过来债券市场也会对股票市场产生影响一样,科学家们发现,电场的变化会使附近的磁场发生变化,而磁场的变化也会造成电场的变化。麦克斯韦发现了这种联系的数学基础。因为麦克斯韦的方程表明电场和磁场之间是可以相互纠缠的,就像塔法里教的长卷发[注释]互相纠结在一起那样,最终它们被命名为电磁场,电磁场可以通过电磁力作用于其他物体。

今天,我们长久地生活在电磁场的海洋中。移动电话和汽车广播在无限宽广的空间内工作着,因为电信公司和广播站的电磁场充斥着广阔的空间。无线网络连接

环绕在我们身边;电脑从震荡在我们周围的电磁场——事实上,这些电磁场也穿过了我们——中采集信息形成了整个万维网。当然,在麦克斯韦时代,电磁场技术还没有充分发展起来,但是科学家们已经公认了麦克斯韦的伟大成就:麦克斯韦通过场的理论指出尽管电和磁是有区别的,但它们实际上是一种物理实体的不同方面。

后来,我们遇到了各种各样的场——引力场、核子场、希格斯场,等等——我们越来越认识到场对于现代物理学定律的形成起着十分关键的作用。但到现在,在我们讨论的领域中,关键性的下一步也归功于麦克斯韦。麦克斯韦进一步分析他的方程后发现,变化的电磁场以波的形式传播,速度为每小时670000000英里(1英里≈1.609千米)。这正是其他实验所发现的光的传播速度,麦克斯韦意识到光也属于电磁场,它可以作用于我们视网膜上的化学物质,从而使我们产生光感。麦克斯韦做出了举世瞩目的伟大发现:他将磁铁产生的力、电荷产生的力,以及在宇宙中所能看到的光联系起来——但这就提出了一个更为深刻的问题。

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当我们说光速是每小时670000000英里时,经验以及前面的讨论告诉我们,如果没有参照物的话这种说法将毫无意义。有趣的是,麦克斯韦只给出了这个数值而并未提到任何参照物。这就像是某人说在北部的22英里外有个聚会,但却没有参照坐标,没有说明是哪儿的北部。包括麦克斯韦在内的很多物理学家,试图用

类似于下面的方式来解释方程中的速度:我们熟悉的波,比如海洋的波或声波,是在物质,或者说介质中传播的。海洋中的波涛是在水中传播的,声波是在空气中传播的,这些波的速度都是相对于介质而言的。当我们说声波在房间中的速度是每小时767英里时(也就是通常所说的1马赫,这里的马赫就是我们在前面提到过的欧内斯特·马赫),我们想要表明声波在空气中是以上述速度传播的。于是很自然的,那时的物理学家推测光波——电磁波——也是在某种特殊的介质中传播的,虽然这种介质从未被人探测到,但它肯定是存在的。这种看不见的传播光的物质被命名为光以太,或以太;后者是一个古老的术语,亚里士多德曾用它来描述一种可以包罗万象的神奇物质,在想象中,天国的东西就是由它做成。为了使该说法与麦克斯韦的结果一致,有人提出他的方程暗示着采用了相对以太静止的物体作为参照物。他的方程中的每小时670000000英里,就是光相对于静止以太的速度。

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正如你所看到的那样,光以太和牛顿的绝对空间存在着惊人的相似性。它们都起源于

提供一种参照物以定义运动的尝试;加速运动导致了绝对空间的概念,光的运动导致了光以太的概念。事实上,许多物理学家认为以太是圣灵——亨利·摩尔、牛顿和其他科学家认为充满绝对空间的圣灵——的实际替身(牛顿和他同时代的科学家曾用“以太”描述过绝对空间)。但实际上以太是什么呢?它是由什么构成的?它来自于哪里?它存在于每个地方吗?

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这些关于以太的问题与几个世纪以来关于绝对空间的问题一样。但是,虽然关于绝对空间的完整的马赫式检验需要在全空的宇宙中旋转;但物理学家们却能提出可行的实验确定以太是否真的存在。比如说,当你游向迎面而来的浪花时,波浪向你移动的速度加快了;当你游向浪花的相反方向时,波浪向你移动的速度减慢了。类似的,当你穿过假设中的以太朝向或背离光波移动时,按照同样的推理,光波向你移动的速度比每小时670000000英里加快或减慢了。1887年,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷测量了光速。经过一次次实验他们发现,不管他们做什么运动,也不管光源做什么运动,光速总是每小时670000000英里。人们想出各种各样的巧妙说法以解释这个结果。有些人说,或许实验者是在不知情的情况下,在移动时拖曳以太与他们一起运动。有些人则大胆地猜测,或许实验设备穿过以太时变得不太正常,从而毁了实验。最后,直到爱因斯坦提出他革命性的理论,人们才终于弄清楚如何解释迈克尔逊莫雷实验。

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