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老子与科学宇宙论概要
第四章老子与科学宇宙论2
一、科学宇宙论简述2
1,宇宙观测事实和推测2
1.1各向同性和均匀分布2
1.2哈勃定律、宇宙膨胀、空间膨胀2
1.3宇宙年龄和大小3
1.4微波背景辐射3
1.5元素丰度4
1.6宇宙射线4
1.7暗物质与暗能量5
1.8宇宙结构层次5
附录一:
恒星演变假说7
附录二:
太阳系起源假说8
2,宇宙学原理9
3,科学宇宙模型的理论基础10
3.1量子场论10
3.2相对论10
3.2.1狭义相对论10
3.2.2广义相对论11
3.3热力学定律13
4,科学宇宙模型15
4.1标准大爆炸模型15
4.1.1奇点大爆炸16
4.1.2宇宙演化历程16
4.1.3宇宙的结局18
4.2暴胀宇宙模型18
二老子宇宙论与宇宙观测事实和科学宇宙模型20
1,各向同性及“象”的分布20
2,膨胀、空间与时间21
2.1膨胀21
2.2空间与时间22
3,大爆炸25
4,引力与电磁力25
4.1引力25
4.2电磁力28
5,电磁波、双缝干涉、光子与光波29
6,微波背景辐射、元素丰度、暗物质、暗能量30
7,相对论、熵增原理31
8,星际物质、星际分子、星云、星体形成32
9,宇宙归宿和循环、宇宙边际33
10,地外文明34
附录:
老子“挫其锐、解其纷、和其光、同其尘”再探讨34
第四章老子与科学宇宙论
一、科学宇宙论简述
科学宇宙论是以科学理论和观测事实建立的关于宇宙的假说。
试图描述宇宙整体及其组成(大到天体小到基本粒子)的起源、演化,阐明他们的关系、结构,预测他们的未来、终结。
现代科学宇宙模型(本书“科学宇宙论”与“科学宇宙模型”意指相同)的理论基础是相对论和量子场论。
自爱因斯坦写出宇宙场方程之后,伴随着实验现象和观测事实,各种宇宙模型逐渐产生,互有不同、各有所论,令人眼花缭乱、无所适从,有些甚至步入玄学境地,令人不可思议。
1,宇宙观测事实和推测
科学中的宇宙是指可观测宇宙(也称总星系)。
从上个世纪以来,随着测量仪器的改进、空间飞行器的上天,人类观测到了许多重要的宇宙现象;而物理学、化学等学科也在扩展深化,这都为宇宙模型的建构奠定了基础。
1.1各向同性和均匀分布
目前的观测证实了宇宙学原理,即宇宙具有各向同性的特征。
在大尺度空间物质的分布是均匀的,但在小尺度中则互有不同。
宇宙在大尺度空间也具有平直性或平坦性。
在对星系团的观测中,发现了“宇宙空洞”(直径在亿光年级,不存在星体,密度极低)、“长城结构”(狭长的星系团环绕着空洞,类似长城)等事实,观测研究工作仍在进行之中。
这就需要调整大尺度空间的范围。
在更大的尺度上依然是各向同性和均匀分布的。
1.2哈勃定律、宇宙膨胀、空间膨胀
哈勃定律是哈勃在多年天象观测基础上归纳出的速度与距离的关系式,即河外星系的视向退行速度与距离成正比。
距离越远,视向退行速度越大。
哈勃定律中的速度和距离都不是可以直接观测的物理量。
真正来自观测、没有掺进任何假设的量是“红移-视星”关系。
他发现星系的亮度和它们的红移之间存在着很强的统计关系,亮度越小的星系,红移值越大。
在对20多个星系的观测中,都发现了红移现象(随后对各个星系的观测,都证实了红移存在)。
这就是说河外星系都在远离我们,各个方向上,离我们越远,逃离的速度越快。
合理的结论就是:
宇宙在膨胀。
宇宙中所有天体都在运动。
天文学上有视向速度术语,是指在观测者视线方向上的速度分量。
视向速度是用多普勒效应测定的。
多普勒效应是指:
物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。
当波源向着观测者移动时,波长变短,频率变高,光谱线向蓝端移动,称为蓝移;当波源离开观测者时,波长变长,频率变低,光谱线向红端偏移,称作红移。
波源的速度越高,所产生的效应越大。
根据波的红(蓝)移的程度,可以计算出波源与观测者观测方向的运动速度。
既然宇宙在膨胀,那么回头去看,越早的宇宙就越是挤在一起,这就是各种大爆炸模型的基本依据。
现在的宇宙模型都是膨胀模型。
由哈勃观测而得出的宇宙膨胀现象,给天文学带来了震撼,推动了宇宙学的诞生。
哈勃定律中有一个哈勃常数,在大爆炸模型中与宇宙的年龄有关(哈勃常数的倒数就是宇宙年龄)。
但哈勃常数的实测值偏高(宇宙年龄偏低),故有各种修正方案,目前仍未取得完全一致的意见。
哈勃的观测中还有少量的蓝移现象。
不过,宇宙学家都有特定解释。
在近来的观测中,确证了宇宙正在加速膨胀,而不是大爆炸模型根据引力效应推定的减速膨胀,也不是有些人主张的匀速膨胀。
空间膨胀:
最近也有对哈勃现象的新解释。
这主要是因为按照哈勃定律和近来的发现,遥远星系的退行速度应该超过了光速。
由于相对论规定了速度上限,因而相对论的拥护者另辟跂径。
他们认为不是星系在远离,而是空间本身在膨胀。
如此,就可以避免与相对论冲突的尴尬。
1.3宇宙年龄和大小
由于哈勃常数取值有异,所以由哈勃定律计算的宇宙年龄并不相同,大致是从140亿年到200亿年(据称,比较准确的年龄是137亿年)。
还有另外的测量及计算方法。
比如通过对银河系最古老球状星团的观测来计算年龄(观测遥远星球上的铀光谱,根据半衰期等参数综合推算),宇宙年龄应该不低于120亿年。
不过用元素衰变推算年龄时发现一些星系的年龄相当大,可达300多亿年,远远超过了根据哈勃常数计算的大爆炸模型中的宇宙年龄,这种年龄冲突目前尚无有力的解释。
一般以宇宙年龄乘以光速得到宇宙的半径。
因此宇宙半径在140亿光年到200亿光年之间。
这个尺度也是人们能够观测到的宇宙的极限(宇宙视界)。
有资料说已经观测到170亿光年之远的河外星系。
1.4微波背景辐射
相当于绝对黑体3K的辐射谱。
1965年测得的这种辐射与方向无关,故可排除地球大气层起源的可能性,而银河系物质分布不均匀,也可排除银河系起源的可能性。
于是,微波背景辐射只可能来自更为深广的宇宙。
3K宇宙背景辐射具有很高的各向同性,起伏不超过万分之一,也就是说各向异性的程度不到万分之一(在消除了多普勒效应之后,剩下的起伏被当成是宇宙早期的扰动。
星云、星体也就是在这种扰动造成的不均匀状态中形成了,是对大爆炸模型的支持)。
在3K微波背景发现之前,大爆炸宇宙模型的研究者就提出过一个看法,宇宙早期温度极高,必然有热辐射。
随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,该辐射应该是5K左右的黑体谱特征。
3K微波背景辐射的发现,被认为是对大爆炸宇宙模型的有力支持(不过,也有人指出,1965年发现的3K背景辐射谱没有高频段,后来对高频段的测量也与绝对黑体谱未尽契合。
还有人提出其他解释)。
不管如何,3K背景辐射证实了在大、小尺度空间宇宙的膨胀和分布是均匀的。
1.5元素丰度
宇宙中元素的丰度是各种元素的相对平均含量,一般以硅的含量作为基准,其他元素的含量参照硅以比例计算。
早前人们只知道大多数恒星的化学组成与太阳相似,因而就认为分布在整个宇宙的元素丰度可能是一样的。
但是,后来的研究发现,在不同类型的恒星上,元素的分布有很大的差异。
现在,利用恒星光谱、星云光谱、陨石中化学成分、地球样品等进行测定估算,已经获得了较为一致的数据,并且证明了宇宙中的物质粒子种类基本是相同的,具有同样的性质和一致的演化特征。
曾经有人提出宇宙中的元素不是一次生成而是分阶段由恒星合成,再由恒星抛射出来,弥漫在宇宙之中,成为星际物质的来源。
这个假说(现在是公认的假设性理论)经过不断地补充修订,仍有部分元素的丰度不能确切解释。
比如氦丰度(氘丰度也同样),以质量计算占到全部宇宙质量的30%,但恒星内部的热核反应不足以产生这么多氦。
大爆炸理论认为早期宇宙温度很高,足以产生这么多氦。
所以氦丰度也被当成大爆炸理论的事实证据(观测发现有些星体的氦含量较低,这与大爆炸模型的解释稍有不同)。
1.6宇宙射线
来自宇宙空间的各种高能粒子,是各种原子核(主要是氢核即质子、氦核即α粒子,还有少量锂、铍、硼、碳、氮、氧的原子核和极少量的重元素原子核)、电子、中微子、X射线和γ射线构成的粒子流。
银河系内宇宙射线来源于比普通恒星活动激烈得多的爆发过程,比如超新星爆发。
脉冲星也可能是高能宇宙射线粒子的一个重要来源。
能量高于1017电子伏的极高能宇宙射线没有明显的方向性,是各向同性的,推测他们来自河外星系。
但在目前,极高能宇宙射线的来源和传播仍在探讨之中。
宇宙射线中有一个非常难解的γ射线爆现象。
来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱,持续时间在0.1-1000秒。
γ射线能量极高,观测显示其来自河外星系,这就意味着射源的能量非常大,它在几秒时间里释放出的能量就相当于几百个太阳一生中所释放出的能量总和,是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发。
1.7暗物质与暗能量
暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。
暗物质的最早猜想来源于对球状星系旋转速度的观测。
数十年前,天文学家观测到大型星系团中的星系具有极高的运动速度,远远超出万有引力公式计算出的结果,这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还存在其他作用力。
但已知的作用力中只有引力才有这种效应,于是,人们推测尚有另外的不发光(电磁波)物质,这些物质也产生引力,从而使得星系高速旋转且无法逃离。
随后的不同观测,都证实了这个事实,即存在大量的不可见不可测的物质。
从卫星上观测星系发出的X射线,进而推测星系的温度。
温度越高,运行越快。
在对不同的星系测量后,发现他们的温度极高,这意味着星系物质正以高速运动。
但观测表明星系是一个聚集在一起的系统,所以必须要有足够的引力维系这个系统,但每个星系的可见物质只有那么多,不足以产生所需要的引力。
因此必然存在没有观测到的物质。
另外,利用引力透镜效应(光线在经过引力场附近时会发生偏转。
一个引力场源对它后面其他天体射来的光线,就可能产生凸透镜那样的会聚作用)也发现了暗物质存在的有力证据。
人们对暗物质究竟是什么作了许多猜测,诸如中微子、类中微子(大质量的弱作用粒子)等等,但缺乏说服力。
暗能量是指一种不可见的、充溢空间的、具有负压强(反引力)的能量。
天文学家发现,在遥远的宇宙空间(约50亿光年),LA型超新星的红移值明显变大了。
就是说宇宙在加速膨胀,那么加速膨胀的原因是什么呢?
应该是推力(与引力相反)那样的东西,这被称为暗能量。
这种暗能量无法探测到,并且应该均匀分布,在大尺度空间起作用。
他不是物质,而是类似于“场”那样的存在。
暗能量虽然不是观测事实(目前无法观测到),但其存在已被普遍承认。
观测数据表明,通常的物质只占区区4%,未知的暗物质约占23%;与通常能量所完全不同的“暗能量”约占百分之73%。
暗物质和暗能量是当前物理学研讨的热点。
1.8宇宙结构层次
在宏观可见层面,宇宙(总星系)分为星系团、星系、恒星、行星及其卫星、彗星流星等。
星系:
恒星、星际气体(气态的游离原子、分子、电子、离子等。
星际气体的组成元素中主要是氢、氦)、尘埃(微小的固态物质,成分有碳化合物如甲烷、氧化物如一氧化碳等)、粒子流等构成的天体系统。
其中恒星有几十亿至上万亿不等,空间尺度在几千光年至几十万光年。
银河系就是星系之一,银河系之外的统称河外星系。
目前发现的星系总数在1000亿以上。
星系从形状分,则有漩涡、椭圆、棒旋、透镜(螺旋)、不规则星系五种。
星系之间呈高度真空状态(极少的实物粒子),仅有稀稀落落、一星半点的原子、电子等。
从大尺度空间来看,星系在各个方向都是一样的。
星系的空间分布也是近于均匀的。
但在小尺度中就不同了。
星系内部的恒星处于运动状态,有两种方式,一是围绕星系核心的旋转运动,一是弥散运动(随机运动)。
星系自身也在运动,所有的星系都在绕着自己的中心旋转。
许多星系旋转的角速度随着到中心的距离不同而几乎一致,这与物理学理论有些冲突(按照开普勒定律,距中心近的应该快,反之则慢。
星系旋转的反常现象是人们推测存在暗物质的理由之一,参见下文暗物质)。
星系除了自旋之外,还有其他运动,如“星系对”彼此围绕公共质心转动。
在星系团中,星系间还存在随机的相对运动。
星系中恒星之外的空间充满了星际物质(含星际气体、尘埃、粒子流),密度非常低,尺度非常大。
星系团:
星系之间有力学联系的构成了星系团,已观测到的星系团在一万以上。
星系团中的星系数量不等,有的仅有十几个星系,有的则上千。
星系团有规则星系团和不规则星系团两种。
规则星系团具有球对称的外形,有一个星系高度密集的中心区域,能够发射X射线。
不规则星系团结构松散,没有一定的外形,也没有明显的中央星系密集区。
在星系团内,星系之间的距离在百万光年级。
星系团自身的尺度在亿光年级。
在大尺度空间,星系的分布呈“泡沫状”,也就是存在巨大的“空洞”(直径1~3亿光年),而星系就分布在空洞的外围,这样的星系集团又被称为超星系团。
看起来似乎是即使在更大的空间,也存在一定的结构,犹如多孔的海绵一样。
星系之间也不是真空,存在着气体和尘埃,但是密度很低,约在10−27~10−31千克/立方米,与星际之间物质的密度相当。
星云:
由星际气体和微粒状的尘埃组成的稀薄气态存在。
星际物质在空间的分布并不均匀,某一区域的星际物质逐渐聚合,形成云雾状而被称为星云。
星云的成分主要是氢、氦、氮等,也有一定比例的碳、氧、氟、镁、钾、钠、钙、铁等金属元素,近些年来还发现有甲烷等有机分子,并且比无机分子的数量还多。
星云中各种元素的含量与宇宙中元素的平均丰度是一致的。
一般认为恒星就是星云收缩形成的,而恒星在演化中和死亡后抛射大量粒子,又能形成星云。
星云的密度很低,每立方厘米只有数十、上千的粒子,有的稀薄星云甚至少到每立方厘米只有一个粒子。
星云的空间尺度很大,可以达到数十光年。
有的星云质量比太阳大得多,有的只有太阳的千分之几。
星际物质:
在星云和恒星之间弥漫着星际物质,主要由气体和尘埃组成。
气体包括原子、分子、电子和离子,其中氢最多,氦其次,另有前文列举的金属元素。
星际气体的密度比星云更低,每立方厘米不到一个氢原子。
星际尘埃是微小的固体质点,称为宇宙尘或星际尘粒,直径为10−6~10−8厘米,分散在星际气体中,只有星际物质总量的十分之一。
主要成分是硅酸盐、金属、石墨颗粒和水、氨和甲烷的冰状物。
星际分子:
星际空间还存在着星际分子,包括无机分子和有机分子。
不过,已发现的星际分子中,大部分是有机分子。
星际分子是上个世纪60年代天文学的四大发现之一(其他三个分别是:
类星体——活动星系的亮核;脉冲星——发出电磁脉冲信号的星体;微波背景辐射),至2006年已发现和确认的分子总数已达146种。
此外还有大约50种由碳、氧、氢等元素的同位素组成的分子。
另有大约50种已经观测到但不知何物的分子。
每种分子往往有几个以至上百个源,这些分子源分布在星际空间中物理条件不同的各个区域,如银河系中心区域、电离氢区和中性氢区(以氢为主要成分的星云)、星周物质(恒星周围的主要由气体和尘埃粒子组成的气态物)、暗星云(不发光的弥漫物质所形成的云雾状星云)、超新星遗迹和红外星的附近等。
有些分子(如一氧化碳)分布很广,但也有一些分子只在非常致密的星云中才能找到。
在已知的天文分子源中,人马座A和人马座B2是最著名的分子源,从中几乎能找到所有已发现的星际分子。
星际分子的组成元素主要有六种:
氢、氧、碳、氮、硫、硅。
去掉硅再加上磷,即构成地球生命的基本元素。
恒星:
恒星是炽热的气态球状天体,能够自己发光。
太阳就是恒星之一。
恒星也有形成、演化、衰亡的过程,这个过程很长,从几千万年到几十亿年。
目前大多数人认为,恒星是由庞大的星云收缩形成。
其观测证据是,年轻的早型主序星常和弥漫星云在一起,不稳定的恒星常和尘埃云在一起,后来又观测到正在星云中凝结的原恒星。
附录一:
恒星演变假说
星云演变假说中,恒星生灭分为这几个阶段:
引力收缩阶段、主星序(主序星)阶段、红巨星阶段、爆发阶段、临终阶段。
1,星云收缩阶段:
一团特定星云(质量、密度、直径、温度、形状都有一些限制)收缩的初期,由于密度小、温度低,尘粒几乎是向星云中心自由降落,因此收缩时间短,这是快速收缩阶段。
此阶段中,星云密度增大、温度升高,内部压力开始形成和加强。
这个过程中引力势能转化为热能。
进一步收缩时,核心温度和压力持续增大,直到与引力相等时,就进入慢收缩阶段。
处于慢收缩阶段的天体叫做原恒星。
慢收缩末期,当温度大于700万K时,氢开始聚变为氦,当这种热核反应能与辐射能相等时,原恒星就不再收缩,变成主序星。
2,主序星阶段:
这是一个相对稳定的阶段。
由于核反应能量巨大,传递到表面,使表面温度升高,向外辐射很强的可见光,此时引力与辐射压力平衡,能量收支平衡。
质量大的恒星产生的热量大、亮度大、温度高;质量小的星热量小、亮度小、温度低(在赫罗图上,按照质量从大到小的顺序分布在从左上角到右下角的一条对角线上,这就是主星序)。
由于恒星物质的组成中,氢是最丰富的元素,故恒星在这一段停留的时间最长,约占恒星寿命的80%以上(像太阳这样的恒星可在主星序阶段停留约100亿年左右,目前约50亿年)。
3,红巨星阶段:
恒星中心部分核反应进行得最快。
当中心部分绝大部分氢转变成氦时,聚变反应造成的压力不足以抵抗引力,故中心氦核收缩、外围的氢层不断升温。
当温度升至1千万K时,外围氢层开始核聚变反应,释放巨大的能量,使星体外壳急剧膨胀,体积急剧增大几千倍以上。
但表面积的增大,又使表面温度下降(总光度仍在增强)。
这样恒星就成为一颗表层温度低,颜色红,体积大,光度高的红巨星。
红巨星的核心继续收缩升温,当中心温度增高到1亿K时,中心部分的氦核聚变为碳,释放出的巨大能量使中心压力增高,足以同引力平衡,于是,恒星又相对稳定下来(太阳这样的恒星在红巨星阶段可以停留约10亿年)。
4,爆发阶段:
经过红巨星阶段,恒星进入晚年期。
具体表现为恒星体积减小,表面温度增加,开始了脉动不稳定的变化状态。
它可能有两种演化方式:
一是缓变方式演化为脉动变星;另一种是突变方式,即恒星经历突然爆发的新星或超新星阶段,也可以先脉动后爆发式地演化。
5,临终阶段:
恒星的归宿与本身质量有很大关系。
恒星在核能耗尽后,如果它的质量小于某一值(强德拉塞卡极限,能够判定恒星演变方向),可能会演化为白矮星(一种特殊的天体,体积小、亮度低,但质量大、密度极高,观测中呈白色,已发现1000多个),如果在某两值之间,可能会成为中子星(简并态中子组成,半径在10公里数量级,是已发现密度最高的恒星。
脉冲星就是能发射强电磁波的中子星),如果大于某一值(奥本海默极限),可能会变成黑洞(理论预言的一种特殊天体,体积无限小、密度无限大,尚未确证)。
白矮星、中子星内部没有核能源,故寿命很短,最终都演化成黑矮星,恒星的一生结束(黑矮星已不再是恒星,只是恒星的残骸,由低温简并电子气体组成)。
附录二:
太阳系起源假说
20世纪的星云说不仅考虑了力学问题,而且还应用了电磁作用、等离子体过程、原子过程、化学过程和流体、湍流、辐射、挥发等现代物理学理论,形成了当今的太阳系起源假说。
按照比较共同的观点,从星云到太阳系的过程可分成三个阶段,首先是在银河星云中产生太阳星云,然后变成星云盘,最后在星云盘内产生太阳和行星及卫星。
大约在50亿年前,银河系中有一团质量巨大、密度均匀、空间分布极广的由气体和尘埃混合组成的星云。
这团星云一方面在其自身的引力作用下逐渐收缩,并在收缩中加快旋转;另一方面因星云中的粒子处于无序运动状态,故出现了许多湍流、涡流,遂使星云分裂成许多块,其中一块乃是太阳系的前身,叫做太阳星云。
太阳星云的自转加快,会使得形状变得越来越扁。
当收缩到一定大小时,赤道面外缘的物质不再收缩,但其他部分仍继续收缩,此时的星云已成为一个扁平球状、密度很大、温度较高的中央隆起部分,这部分就是原太阳。
当原太阳内部温度增高到700万K时,就开始发生热核反应,由引力收缩阶段转入核反应阶段,并持续发热发光。
于是太阳诞生了。
行星形成的过程是尘粒碰撞集聚、引力吸积的过程。
由于扁平星云持续收缩,整个星云的密度也开始增大,尘埃粒子就集结成更大的粒子,这些大粒子会捕获星云中的水、氨、甲烷和二氧化碳,又在运动中发生碰撞而互相结合,经历由小而大,从尘粒到团块,从团块到“星子”,从“星子”到“星胚”的过程,逐渐形成为九大行星的前身。
“星胚”在日益壮大的过程中,它的引力越来越大,引力吸积最终代替碰撞吸积,逐渐形成行星。
2,宇宙学原理
宇宙学原理是指宇宙在大尺度空间(早前指6000万光年,现在多指10亿光年)是均匀的、各向同性的。
均匀指的是物质分布均匀;各向同性,是说所有方向上空间具有相同的性质,宇宙不存在任何特殊的中心。
也就是说在宇宙学尺度上,空间任一点和任一点的任一方向,在物理上是不可区别的,即无论其密度、压强、曲率、红移都是完全相同的。
当然,在同一点、在不同时刻,各种具体的物理量却可以不同,因此宇宙可以演化。
哥白尼原理是指宇宙中没有特殊地位的观察者。
这实际上是指物理定律的普适性,也就是说宇宙中各处的观测者,发现和应用的物理定律是完全相同的,没有任何一个观测者是特殊的。
因而,我们在地球上发现的物理定律,在宇宙其他地方、任何时间都适用。
地球上观察到的宇宙演化图景,与其他天体上观察结果相同。
以上原理是研究宇宙的必须的假定前提,但不全是出自想象,而是来源于大量的观测和实验。
3,科学宇宙模型的理论基础
广义相对论、量子场论是当代宇宙学两大基础理论。
量子场论在宇宙研究中主要用于大爆炸模型的早期阶段,提出了量子真空涨落宇宙起源假说等,暴胀模型也利用了量子场论的主张。
广义相对论则主要应用于奇点和宇宙总体演化方式的研究。
关于量子场论的基本内容,另见“老子与粒子物理学”,以下不再赘述。
热力学在宇宙论研究中,主要用于推测宇宙结局
3.1量子场论
科学宇宙模型中,量子场论主要用于宇宙开端时期。
此时的宇宙处于基本粒子尺度,所以必须考虑量子效应。
关于量子场,详见老子与粒子物理学。
3.2相对论
相对论有狭义相对论和广义相对论两种。
与许多科学理论一样,自相对论创立伊始,质疑和批评的声音就从来不曾偃息过,只是因为相对论所作的一些科学预言得到验证(有些验证在反对者那里被质疑或重新解释,有些验证尚待进一步确认),这些反对的声音逐渐退出公众视野了。
3.2.1狭义相对论
狭义相对论是关于时空的理论。
当时的物理学界认为以太是传播光和电磁波的媒介,而以太是充满整个空间的静止的绵延性存在。
地球在以太中穿行会因为相对运动而引起“以太风”。
寻找以太的努力全部失败(以太不可观测),而光速在以太中的传播速度又在任何方向上都是不变的,所以不存在以太风,否则光速会改变(迈克尔逊-莫雷实验)。
为了解决这个问题,洛伦兹等人提出了新的假设,认为物体在运动中长度缩短、时钟变慢,还提出了运动中质量增大的设想。
洛伦兹的假设体现在洛伦兹变换中,是观测者在不同惯性参照系之间对物理量进行测量时所进行的转换关系。
同经典力学中的伽利略变换相比,洛仑兹变换具有下列新的内容:
引进了光速C,并得出光速在所有惯性系都相同的结论;长度收缩;运动的钟变慢;空间坐标与时间坐标相互联系,在计算空间坐标变换时,包含时间的因素;在计算时间坐标变换时,包含空间的因素。
爱因斯坦意识到,只要承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实,就可以由相对性原理导出洛伦兹变换,不需要作别的假设。
于是提出了狭义相对论。
狭义相对论有两条基本假设:
第一个基本假设是相对性原理:
物理定律对所有惯性参考系都具有相同的形式。
或者说:
物理定律对于静止参考系和匀速运动参考系来说都是相同的。
我们不可能通过物理实验把静止参考系与匀速参考系区别开来。
这条假设来自牛顿力学中的相对性原理,最早由伽利略提出。
第二个基本假设是真空光速不变:
真空中光的传播速度在各个方向上都相同,同光源的运动无关。
也就是说,在真空中无论发光物体沿哪个方向以什么速度在运动,光的传
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