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第19章 1g质量所具有的能量可供一盏千瓦电灯点燃的时长

看了这个标题,你一定惊诧不已,微不足道的1g物质,为什么会有如此大的能量,能让一盏1000W的电灯点亮近3000年?这得从爱因斯坦的相对论里寻找答案。

在爱因斯坦以前,人们对物理世界的看法与今天完全不同。那时,人们以为真空充满了“以太”,所以光才能在其中传播。宇宙本身是静止的,因此称为“绝对空间”;要确定地球、太阳、恒星在其中的运动,必须确定它们相对于“以太”的“绝对运动”。

1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论,提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一条叫做相对性原理,第二条叫光速不变原理。他摒弃了牛顿经典力学中的速度合成法所依赖的两个假设,即两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系,以及两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关,首次把时间与空间联系起来,认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由时间坐标和空间坐标构成一个四维的连续空间。

以往人们一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,他提出了一个著名的质能转换公式:Emc2,其中c为光速,质量可以看作是物质能量的量度。也就是说,1g质量可以转化为9×1020erg能量,足够一盏1000瓦的电灯点燃2850年。

1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,其中涉及加速运动和万有引力问题。他提出了一种全新的观点,即将引力看作是空间的一个属性,而不是物体间的作用力;由于物质的影响,空间变得弯曲,而物体可以沿着阻力最小的曲线移动。广义相对论能够解释牛顿力学所无法解释的一些运动现象,例如行星间变化着的引力所造成的摄动。天文学家将爱因斯坦的理论运用于水星和金星后发现,计算结果准确地符合行星轨道近日点的移动。

爱因斯坦的理论预言了两种新的现象,其一是强大的引力会导致恒星光谱向红端移动;第二是引力会使光线偏折。这两个预言后来都得到了证实。特别是1974年9月,美国麻省理工学院天文学家泰勒等人发现,一个以每秒200转左右的速度自转的中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行,公转周期只有0.323天,它们因引力波的作用而逐渐损失能量,相互旋转一周所花的时间每10年就要减少4s,或者每年相互靠近约1cm,观测结果与广义相对论的预言完全符合。泰勒因此而获得1993年度诺贝尔物理学奖。

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