一個平民的哲學(連載)

第40部分 (第2/4頁)

介空氣的速度，如果空氣的速度與你一樣，就象在密封的飛機上一樣那不可能造成這個結果），等你停下來的時候，你會聽到你過去造成的聲音，因為這個時候聲音才追上你。而光速恆定意味著不可能出現你的速度超過它，也就是說你不可能超過光速看到你的過去，這樣意味著假定太陽就在此刻停止發光，它不會對此刻的地球發生影響，因為地球的此刻是在太陽熄滅這一事件的光錐之外。我們只能在8分鐘之後才知道這一事件，這是光從太陽到達我們所花的時間。只有到那時候，地球上的事件才在太陽熄滅這一事件的將來光錐之內。同理，我們也不知道這一時刻發生在宇宙中更遠地方的事：我們看到的從很遠星系來的光是在幾百萬年之前發出的，在我們看到的最遠的物體的情況下，光是在80億年前發出的。這樣當我們看宇宙時，我們是在看它的過去。這也意味著引力不能比光速更快，這樣的話，就算太陽不存在了，引力依然存在，直到8分鐘後。也就是說，我們不可能知道任何光速到達之前的東西和事件。

狹義相對論非常成功地解釋瞭如下事實：對所有觀察者而言，光速都是一樣的（正如麥克爾遜——莫雷實驗所展示的那樣），併成功地描述了當物體以接近於光速運動時的行為。然而，它和牛頓引力理論不相協調。牛頓理論說，物體之間的吸引力依賴於它們之間的距離。這意味著，如果我們移動一個物體，另一物體所受的力就會立即改變。或換言之，引力效應必須以無限速度來傳遞，而不像狹義相對論所要求的那樣，只能以等於或低於光速的速度來傳遞。愛因斯坦在1908年至1914年之間進行了多次不成功的嘗試，企圖去找一個和狹義相對論相協調的引力理論。1915年，他終於提出了今天我們稱之為廣義相對論的理論。愛因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，而只不過是空間——時間不是平坦的這一事實的後果。正如早先他假定的那樣，空間——時間是由於在它中間的質量和能量的分佈而變彎曲或“翹曲”的。像地球這樣的物體並非由於稱為引力的力使之沿著彎曲軌道運動，而是它沿著彎曲空間中最接近於直線的稱之為測地線的軌跡運動。一根測地線是兩鄰近點之間最短（或最長）的路徑。例如，地球的表面是一彎曲的二維空間。地球上的測地線稱為大圓，是兩點之間最近的路。由於測地線是兩個機場之間的最短程，這正是領航員叫飛行員飛行的航線。在廣義相對論中，物體總是沿著四維空間——時間的直線走。儘管如此，在我們的三維空間看起來它是沿著彎曲的途徑（這正如同看一架在非常多山的地面上空飛行的飛機。雖然它沿著三維空間的直線飛，在二維的地面上它的影子卻是沿著一條彎曲的路徑。上面這段話看起來難於理解，你只需要記住，象地球的圍繞著太陽做圓周運動的物體在相對論的四維空間中是做勻速直線運動的，而這樣的彎曲的時空是由於大質量物體所導致的。

太陽的質量引起空間——時間的彎曲，使得在四維的空間——時間中地球雖然沿著直線的軌跡，它卻讓我們在三維空間中看起來是沿著一個圓周運動。事實上，廣義相對論預言的行星軌道幾乎和牛頓引力理論所預言的完全一致。然而，對於水星，這顆離太陽最近、受到引力效應最強、並具有被拉得相當長的軌道的行星，廣義相對論預言其軌道橢圓的長軸繞著太陽以大約每1萬年1度的速率進動。這個效應雖然小，但在1915年前即被人們注意到了，並被作為愛因斯坦理論的第一個驗證。近年來，其他行星的和牛頓理論預言的甚至更小的軌道偏差也已被雷達測量到，並且發現和廣義相對論的預言相符。

光線也必須沿著空間——時間的測地線走。空間是彎曲的事實又一次意味著，在空間中光線看起來不是沿著直線走。這樣，廣義相對論預言光線必須被引力場所折彎。譬如，理論預言，由於太陽的質量的緣故，太陽近處的點的光錐會向內稍微偏折。這表明，從遠處恆星發出的剛好透過太陽附近的光線會被折彎很小的角度，對於地球上的觀察者而言，這恆星顯得是位於不同的位置。當然，如果從恆星來的光線總是在靠太陽很近的地方穿過，則我們無從知道這光線是被偏折了，還是這恆星實際上就是在我們所看到的地方。然而，當地球繞著太陽公轉，不同的恆星從太陽後面透過，並且它們的光線被偏折。所以，相對於其他恆星而言，它們改變了表觀的位置。

在正常情況下，去觀察到這個效應是非常困難的，這是由於太陽的光線使得人們不可能觀看天空上出現在太陽附近的恆星。然而，在日食時就可能觀察到，這時太陽的光線被月亮遮住了。