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啦
万有引力是时空几何的一种特性
在时空中
所有物体均沿直线运动
除非被撞离原来的轨道
然而
就像地球表面或者任何其他表面通有无限数量的直线一样
时空中的一点也存在有限数量的测地线
那么
我们该如何确定物体将沿哪条时空轨道运动呢
答案很简单
视情形而定
例如
在地球上
人可以向任何方向出发
开始长途跋涉
这由他的选择决定
同样
从静止开始掉落到地球上的物体
会从一条侧地线开始运动
而被抛出的物体会从另外一条测地线开始运动
因此
通过指定物体在时空中某一特定点的运动方向
便可确定它的整个轨迹
此外
朝向特定方向运动的所有物体都遵循相同的轨迹
不管它们本身性质如质量或电荷如何
它们只沿一条直线运动
这就是全部
这样
弯曲时空的引力理论完美的表达了让爱因斯坦着迷的等价原理
这种对时间和空间本性的思考
让我们明白
地球只不过是在绕着太阳直线下落
但是这条直线是弯曲时空中的直线
它在空间中表现为一条几乎完美的环形轨道
我们不打算继续去证明太阳对时空的扭曲促使地球沿着一条测地线下落
证明它在三维空间的投影是一个几乎完美的圆形轨道
原因是涉及太多的数学
并且我们还不得不去讲述物体是如何扭曲时空的
实际上
我们一直在回避这个问题
爱因斯坦花费了十年时间发展这一理论的主要原因也是数学
这里涉及的数学太复杂广义相对论的概念相当简单
但数学却很难
当然
困难绝对掩盖不住它的优美
许多物理学家认为爱因斯坦相对论是最美的自然科学理论
你可能已经发现了
在上面的讨论中
我们并不是针对某一类物体
因此
我们强调
光也是沿着测地线穿越时空
在每一个时空小块中
光都沿着四十五度线方向传播
这一点我们在第四章中做了介绍
但是
将所有的小块缝合在一起后
光的路径在空间中就是一条弯曲的轨迹
弯曲轨迹呈现出时空被质量和能量扭曲的方式
拿绕太阳运动的地球来说
它的轨迹是四维时空测地线在太空中的影子
等效原理的威力和光线的弯曲可以用另一个思想实验来说明
假如你在地面上朝水平方向发射一束激光
会发生什么呢
等效原理可以给出答案
答案是
光和物体一样
它们朝向地面运动的速度是相同的
但前提是这个物体在激光发射时由静止释放的
如果伽利略拥有一个激光器
并且他在倾斜的比萨斜塔发射炮弹的同时发射了一束激光
那么爱因斯坦会预言激光光束和炮弹同时落地
但这个实验有一个实际问题
地球表面朝向远处快速弯曲
因此激光并不会击中地面
反而会逃离地球
相反
假如大地是平的
就不存在这个问题
我们就能看到激光光束和炮弹同时击中地面
只不过激光落地点要远很多
事实上
若炮弹落到地面上用了一秒钟
那么激光会在距离斜塔一光秒的地方击中地面
可以算出激光落地点离斜塔有十八万六千多英里远
用不着怀疑
将引力视为时空几何的特性是令人满意的
因为他得出了相当惊人的结论
但是本书一直强调
这些预测需要通过实验来证明
否则理论最终还是毫无用处
爱因斯坦是幸运的
他只等了四年
就见证了自己异乎寻常理论的实验验证
一九一九年
阿瑟 艾丁顿
弗兰克
戴森和查尔斯
戴维森写了一篇论文
论文的题目是
通过一九一九年五月二十九日日全食的观测
确定太阳引力场对光的偏折
这是爱因斯坦理论的第一次重大实验
这篇文章发表在伦敦皇家学会哲学会刊上
其中一句话堪称不朽
这句话是两组数据均指向爱因斯坦广义相对论给出的一点七五角秒的光线篇折
因此
爱因斯坦一夜成名
享誉全球
这一深奥理论的证实
与艾丁顿
戴森和戴维森的巨大努力是分不开的
为了观看日食
他们远航到巴西的索布拉尔和非洲西海岸普林西比进行观测
日食使他们能够看到隐藏在太阳周边的恒星
这些恒星在通常情况下被太阳的光线遮蔽
这些恒星发出的光很合适用来检验爱因斯坦的理论
因为离太阳越近
空间曲率越大
光线偏折的就越多
实际测量中
艾丁顿
戴森和戴维森观察了在太阳经过时
星星在天空中位置的变化
通俗的讲
太阳引起的弯曲时空就像一个镜头
扭曲了天空中星星的图案
今天
爱因斯坦的理论已被精确检验
检验采用的是一些引人注目的宇宙星体脉冲星和旋转中子星
在第六章中
我们遇到过这两种星体
它们在宇宙中广泛分布
在地球上能用望远镜精确研究的星体中
旋转中子星有独到之处
它们有巨大的时空扭曲和精确的时间节拍
其时间节拍的稳定性甚至好于最好的原子钟
如果你想寻找一个星体能为广义相对论的检测提供完美场地
脉冲星再好不过了
脉冲星自转时会发射无线电波
并把时间节拍传递出来
就像一个灯塔发出一束狭窄光束
每秒左右扫一次
这些有用的星体是由乔斯琳
贝尔博内尔和托尼
休伊时在一九六七年偶然发现的
如果想知道怎么与一颗旋转中子星相遇
就要读下贝尔博内尔的故事了
当时他正在观察无线电波强度的变化
这种无线电波由遥远的类星体发出
人们相信无线电波强度的涨落是由星际空间的太阳风引起的
然而作为一名优秀的科学家
他总会在数据中寻找有趣的东西
十一月的一个晚上
他检测到一个有规律的信号
起初他和导师休医时认为这是人为的干扰信号
这很自然
但随后的观测使他们确信情况并非如此
无线电信号源必须在地球之外
那晚我气哄哄的回了家
后来贝尔博内尔谈到他观测时说道
当时我正以一项新技术申请博士学位
一群愚蠢的小绿人却钻了出来
占用了我的天线和频率
与我们展开了交流