时空与引力-基地物理.PDF

教师评述论文 《基地物理》 2013 年第1 期 空与引力 1 1 刘玉孝 ，付春娥 （1. 物理科学与技术学院 理论物理研究所，甘肃 兰州 730000 ） 要： 本文从时空观和牛顿引力理论的超距作用出发，以浅显易懂的语言为本科生读者阐述了 时间、空间、狭义相对论、广义相对论、维度以及层次等经典的物理概念，并从中引出了膜 世界理论并做了相关分析和展望。 关 键 词： 时空 引力 狭义相对论 广义相对论 维度 膜世界理论 在西汉 （公元前202 年-公元9 年）古书 《淮南子》中，有这样一句话：“往古今来谓之 宙，四方上下谓之宇”，它的意思是说：宇宙即空间和时间。当然，现代人对于 “宇宙”的 理解更加广泛了，这句话里强调的是“时间”和 “空间”，简称时空。也许我们不会想到， 这个简单的词，竟是物理学发展的主线之一。 图1. 牛顿 1687 年7 月，英格兰物理学家牛顿发表了巨著 《自然哲学的数学原理》，其中整理出了 著名的万有引力定律。“引力”就是让苹果落地，让我们能稳稳站在地面上的力，它存在于 任意的 个物体之间。万有引力定律指出，引力的强度与物体的质量及它们之间的距离有关。 该定律的发现是伟大的，人们利用它不仅计算出了地球、月球等星球的质量，还将人造卫星 送上了天空，甚至发现了第八颗行星 海王星 （19 世纪40 年代，由英国天文学家亚当斯 和法国天文学家勒威耶计算后发现）的存在。 可是，牛顿的引力理论虽然很成功，却仍有不足之处。该理论显示， 物体之间的引力 是一种超距作用，即不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间。这显然是不合理的，牛 顿本人对此也感到不满意。而这个问题直到20 世纪才被爱因斯坦的广义相对论解决。 基金项目：本论文为教师特邀评述。 通讯作者：刘玉孝（1977 －），男，贵州省毕节市人， 授，甘肃省十大杰出青年、师德标兵。 联系方式：E-mail: liuyx@lzu.edu.cn，Tel.: 1 教师评述论文 《基地物理》 2013 年第1 期 在牛顿的经典力学中，“时间”本身就是一个特别的概念，它是一种 “绝对”的存在， 在任何的参照系中，时间都是一样的。“空间”则不同，在不同的参照系中，空间位置的 述并不一样，但只要按照伽利略变换来建立各种 述之间的关系，并不影响物理定律的形式。 这种时空观被叫做“绝对”时空观。而这种霸气外露的“绝对”终于带来了无法避免的问题。 至 19 世纪，电磁场理论已被人们所熟悉，其基础是麦克斯韦方程组，它 述了电磁场 的活动和电磁波，给出了正确结果。值得注意的是，在该方程组中有一个特别的数值，它就 是电磁波的传播速度c ，即光速。根据牛顿的绝对时空观，这个速度肯定是相对于某个特别 的参照系而言的，否则光速肯定会改变。当时的人们普遍接受了这样一个绝对参照系的存在， 并称之为 “以太”。 1881 年- 1884 年，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度， 进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速并没有差异！许多物 理学家为之震惊，于是试图寻找新的理论来给予合理解释，只可惜他们都没有超越 “以太” 的束缚。 图2. 爱因斯坦 1905 年，美籍德 物理学家爱因斯坦意识到问题的严重性，抛弃了以太的观点，基于 光速不变的事实，创立了一个新的理论，狭义相对论。该理论彻底地改变了空间和时空的概 念，是一次巨大的理论飞跃。 在狭义相对论中，时间不再特殊，它和空间一样，都在参照系产生变化 （这种变化下， 物理规律不变），所以 “绝对”的时空不复存在，一切都是“相对”的。在这种时空观之下， 让人瞠目结舌的现象出现了 尺度收缩、时钟延迟！ 在静止的参考系中，一把长度为l0 的尺子，当在运动的