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第7章 空间和时间(2)

第(3/4)节

    光线也必须在时空中遵循测地线。时空是弯曲的事实再次意味着,光线在空间中看起来不是沿着直线行进。这样,广义相对论预言光线必须被引力场折弯。譬如,理论预言,由于太阳的质量的缘故,太阳近处的点的光锥会向内稍微弯折。这表明,从遥远恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被偏折很小的角度,对于地球上的观察者而言,这恒星似乎位于不同的位置。当然,如果从恒星来的光线总是在靠太阳很近的地方穿过,则我们就无从分辨,是光线被偏折了,还是该恒星实际上就在我们看到的地方。然而,由于地球围绕着太阳公转,不同的恒星显得从太阳后面通过,并且它们的光线受到偏折。所以,相对于其他恒星而言,它们改变了表观的位置。

    在正常情况下,要观察到这个效应非常困难,这是由于太阳的光线使得人们不可能观看天空上出现在太阳附近的恒星。然而,在日食时就可能观察到,这时太阳的光线被月亮遮住了。由于第一次世界大战正在进行,爱因斯坦光偏折的预言不可能在1915年立即得到验证。直到1919年,一个英国的探险队从西非观测日食,证明光线确实像理论所预言的那样被太阳偏折。这次英国人证明德国人的理论被欢呼为战后两国和好的伟大行动。具有讽刺意味的是,后来人们检查这回探险所拍的照片,发现其误差和企图测量的效应同样大。他们的测量纯属运气,或是已知他们所要得的结果的情形,这在科学上时有发生。然而,后来的多次观测准确地证实了光偏折。

    广义相对论的另一个预言是,在像地球这样的大质量的物体附近,时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率(光在每秒钟里波动的次数)有一种关系:

    能量越大,则频率越高。当光从地球的引力场往上行进,它失去能量,因而其频率下降(这表明两个相邻波峰之间的时间间隔变大)。在上面的某个人看来,下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。1962年,人们利用一对安装在水塔顶上和底下的非常准确的钟,验证了这个预言。发现底下的那只更接近地球的钟走得较慢,这和广义相对论正好相符。目前,随着基于卫星信号的非常精确的导航系统的出现,地球上的不同高度的钟的速度的差异,在实用上具有相当的重要性。如果人们无视广义相对论的预言,计算的位置会错几英里。

    牛顿运动定律使在空间中的绝对位置的观念寿终正寝。而相对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子。假定其中一个孩子去山顶上生活,而另一个留在海平面,第一个将比第二个老得快些。这样,如果他们再次相会,一个会比另一个更老一些。在这个例子中,年纪的差别会非常小。但是,如果有一个孩子在以近于光速运动的航天飞船中作长途旅行,这种差别就会大得多。当他回来时,他会比留在地球上另一个年轻得多。这叫做双生子佯谬,但是,只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言,这才是佯谬。在相对论中并没有惟一的绝对时间,相反,每个人都有他自己的时间测度,这依赖于他在何处并如何运动。

    1915年之前,空间和时间被认为是事件在其中发生的固定舞台,而它们不受在其中发生的事件的影响。即便在狭义相对论中,这也是对的。物体运动,力吸引并排斥,但时间和空间则完全不受影响地延伸着。空间和时间很自然地被认为无限地向前延伸。

    然而在广义相对论中,情况则完全不同。这时,空间和时间变成为动力量:当物体运动,或者力作用时,它影响了空间和时间的曲率;反过来,时空的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事影响。正如人们没有空间和时间的概念不能谈论宇宙的事件一样,同样地,在广义相对论中,在宇宙界限之外讲空间和时间也是没有意义的。

    在以后的几十年中,对空间和时间的这种新理解是对我们宇宙观的变革。旧的宇宙观被新的宇宙观取代了。前者认为宇宙基本上是不变的,它可能已经存在了无限长的时间,并将永远继
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