引力波发现的意义（一）:
2014 年 3 月 17 日，美国天文学家宣布，他们发现了原初引力波穿越婴儿字宙留下的印记，这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据，这一其有里程碑意义的重大发现，有望帮助弄清宇宙诞生之迷。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，由于信号极其微弱，技术上很难测量，科学界此前一直没有找到这种波存在的证据。新发现也意味着广义相对论的胜利。材料表明
①人们对事物的认识受到客观事物复杂性、具体实践水平的限制
②认识运动是从认识到实践再到认识的螺旋式上升过程
③通过实践可以把头脑中观念的存在变为现实的存在
④实践是检验认识真理性的唯一标准 |
引力波发现的意义（二）:
为什么引力与重力方向不同?
地球上的重力于引力方向不相同这是为什么
携带能量和与波源有关的信息；是横波,在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低,引力波穿透性极强,地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等.法意合建的引力波探测器刚刚完工,将在2004年正式启用.强有力的证据显示,引力波不仅是爱因斯坦的假设,这种证据来自对中子星的观察.甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不到,要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的.如果把世界上所有探测器的成本加起来,捕捉引力波的代价无疑是天文数字.
在“广义相对论”发表近90年之后的今天,这种神秘莫测的波终于有可能向我们展示真面目.现在对引力波的研究方兴未艾,反引力或称反重力研究又提上了日程,这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想,科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华.
■名词解释
引力波
引力波也称重力波.早在1916年,爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在.但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体——例如超新星、塌缩的黑洞和中子星——释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒,随后其碎片纷纷射向宇宙深处.但它的影响远远不止这些.超新星会令时空结构发生震颤,并波及到数百万光年以外的地方.这种现象被称为引力波.
中子星
中子星是巨星爆炸的产物,它们由中子构成,通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里.有些中子星自转速度极快,间歇性地释放出无线电波,天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波.
人们还不能直接探测到引力波,因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了.如果你能靠近一个超新星,引力波就会把你和周围的一切撕成碎片.但等引力波到达地球时,它只能令时空产生最轻微的波动.
广义相对论预言存在引力波
在“广义相对论”发表近90年之后的今天,这种神秘莫测的波终于有可能向我们一展真面目.过去几年里,天文学家在美国、日本和德国设置了探测器,最近又在意大利距离比萨市12公里的地方设置了一个.这座法意合建的探测器名为“Virgo”,刚刚完工,将在2004年正式启用.这是一项大工程,而且耗资不菲.“Virgo”有一条长3公里的隧道,位于意大利比萨市的郊区,而隧道只是“Virgo”的部件之一.在日本国立天文台内,也有一条直角边长为300米的等腰直角三角形的隧道,一台名为“TAMA300”的激光干涉仪型的引力波检测装置不久前开始运转,这是世界上率先搜寻引力波的努力之一.
引力波也称重力波.早在1916年,爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在.相对论认为时间和空间是不可分割的.我们不能再把三维空间与滴答作响的时钟分别对待,它们其实都是时空结构的组成部分.但广义相对论的一个推论还有待证实：如果一个物体突然运动,它应该以引力波的形式释放能量,就像铃铛摇动时会响一样.在理论上这适用于所有物体,包括人类.但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体———例如超新星、塌缩的黑洞和中子星———释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒,随后其碎片纷纷射向宇宙深处.但它的影响远远不止这些.超新星会令时空结构发生震颤,并波及到数百万光年以外的地方.这种现象被称为引力波,天文学家们都努力地想第一个证明它的存在,他们可能最终带领我们一路追溯到宇宙大爆炸的源头.所有理论都需要证据支持,但寻找证据非常困难.人们还不能直接探测到引力波,因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了.如果你能靠近一个超新星,引力波就会把你和周围的一切撕成碎片.但等引力波到达地球时,它只能令时空产生最轻微的波动.要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的,无异于测量银河的宽度并把结果的误差保持在3厘米之内.因此甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不出来.
引力波的确存在
建设“Virgo”历时6年,费用约为5500万英镑.如果把世界上所有探测器的成本加起来,捕捉引力波的代价无疑是天文数字.幸亏没有人认为这项工作会徒劳无功.强有力的证据显示,引力波不仅是爱因斯坦的假设.这种证据来自对中子星的观察.中子星是巨星爆炸的产物,它们由中子构成,通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里.有些中子星自转速度极快,间歇性地释放出无线电波,天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波.这种中子星被称为脉冲星.1974年,美国物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯第一次发现了一对脉冲双星.他们发现这两个天体的亲密环绕正变得越来越接近.尽管变化的幅度很小（大约每年只靠近1厘米）,但它的意义却非同小可.这意味着两个天体正在损失能量,而且这种轨道变化与相对论的预测完全吻合.泰勒和赫尔斯认为能量正在以引力波的形式释放,这一发现使他们获得了1993年的诺贝尔奖.
“Virgo”和其他新建的引力波探测器一样,都是一种大型的激光干涉仪,专门利用引力波的特性来捕捉它.这种特性是：引力波令时空沿一个方向轴拉伸,沿与其垂直的另一个方向轴压缩.人们可以通过持续测量这两个方向上的距离,发现某一时刻出现在两个方向上的距离拉伸与压缩.就像所有的大型魔术一样,科学家们也利用镜子来做到这一点.从激光器发射的光线通过一个分裂器,分裂器把光束分别传送到L形连接的两个管道里,形成垂直角度.每个管道尽头挂有一面镜子,把两条光束反射回去,在交点汇合.人们特意改变了两道光的波长,这样它们反射回来时正好能互相抵消.这里设置有一个记录光线的光电二极管,平时它不会显示有光出现.但如果有引力波经过,两束光的传播距离会出现差异.那么当两束光交汇时,波形就不会完全干涉,从而导致发光.
“Virgo”的技术规格之高令人叹为观止.镜子表面非常光滑,凸凹幅度小于百分之一微米（1微米等于百万分之一米）.而且它们对光的反射率达99.999％.激光器也非同寻常,因为它制造的光束是迄今最稳定的.那么,“Virgo”观测到引力波的可能性有多大呢?加的夫大学的班哥拉·沙塔普拉卡什教授说：“我们预计每年会有一到两次双黑洞合并的现象.这些预测是在不确定的理论基础上做出来的,因此几率可能更低.所以如果我们在三四年内什么都没有看到也是不足为奇的.”在此之后,就是对爱因斯坦理论真实性的检验了.人们计划对“Virgo”和其他引力波探测器进行升级,因此到2010年它们的灵敏度会提高10倍.这可以令观测范围扩大1000倍,在这么大的区域里,每年,也许是每天,都应该有形成引力波的天体活动.如果人们仍然一无所获,那将对天文物理学产生重大影响.沙塔普拉卡什说：“如果还不能发现引力波,我们将不得不开始怀疑天文物理学家的某些基础模型是否正确,例如双星系统是如何形成的.”
反重力研究再入科学家视线
爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波,在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低,引力波穿透性极强,地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等.引力波是波动形式和有限速度传播的引力场.
爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在,但他提出的引力波与坐标的选取有关,在某一个参考系看来,引力波可能有能量,而换一个参考系可能就没有.因此在提出引力波存在的初期,包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度.1956年,皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年,邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在.1959年,邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明,静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动,于是间接地证明引力波携带能量,并可被探测到.由于引力辐射极其微弱,目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波,而大质量天体的激烈运动,比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波.【引力波发现的意义】
引力波发现的意义（三）:
存在比光速更快的速度ma?
如果说地球上的话,目前没有比光速还快的速度了,我是说目前,以前,我看过一本书,书上说,当超过光速时,就可以时空了,也可以达到绝对零度了,如果从理论上来说的话,是下面这样的：
速度的累加原理是根据经典物理学理论,在光这样的告诉运动中不适合
根据相对论速度相加公式:
V=( V1+ -V2)/(1+ -V1*V2/C )
V1即速度a,V2即速度b,C为光速,若V1=V2=C,代入公式即得V=C
在V1和V2中,只要有一个等于光速,不管另一个速度多大,结果总是V=C
总之,世界上的最大速度为光速,没有比光速更快的速度
但是说实话,我总觉得,这个时间上是没有什么事情是不可能的,就像外星人吧,说银行系其他行星上没有空气和水,可是他们不一定要和人类一样依靠水和空气存活啊?我觉得一楼的话虽然简单,但还是有道理,什么事情是不可能的呢?有谁能知道1000,10000年后的事情呢?
没有 有也发现不了 因为当速度接近光速的时候 时间就会静止(相对论里有说过) 而要发现比光更快的东西 用来探测的仪器要多恐怖你自己想想 至少现在的科学技术达不到
那就是眼睛 理由很简单 光跑了400亿年才跑到现在的位置 而我们用天文望远镜就能在一瞬间跑到光花跑了400亿年的位置 说到这里有人要问没光我们眼睛怎么看的见?这个问题问的好 我们能不能找一个比光速更快的东西来代替光呢 答案是有的 那就是我们人类独有的东西意念 如果科学家往这方面来研究我相信不出50年应该有很大的突破 超越时间不在是梦想 开发人类大脑的意念是了解宇宙或世间万物唯一一个最的方法
万有斥力波——比光速更快的东西
万有斥力波——比光速更快的东西
相信大多天文物理学爱好者,又或者宇宙学爱好者一定知道关于爱因斯坦寻找万有引力波的典故,至于有没有在月球探测到这种波似乎一直没有下文,但是我却在研究引力波的双胞兄弟——斥力波中意外发现,不管去用什么方法,所有的物质条件都有可能无法探测到这两种波,因为无论是它们的波长还是它们的波速都是一种极限,一种超级物理极限.
在这我不想多费唇舌去讨论引力波和斥力波是双生子的科普常识,显然以我们目前的科技能力在原子中寻找斥力波要比到宇宙中心去寻找引力波要容易得多,只是这需要我们进行一些更为大胆的假设才能筑起这样一个研究的平台（不过还是让大家原谅我将最基本粒子的假设作为一个高度机密而不向公众公开）.
先讨论一下斥力波的波长.我认为原子间的斥力由原子内的最最基本粒子产生的一种平衡引力的波（原因机密）,既然斥力波来自原子内部,必定对原子结构产生重大影响,因此为了不让原子尺寸忽大忽小现象,也就是要保证原子的下一层结构的运动轨迹均衡,斥力波的波长就要以原子的下一层结构的粒子为数量级.我们知道原子的下一层粒子是质子和中子,它们的下一层又分别是夸克和中微子,在量子力学中似乎没有关于斥力波对质子和中子运动造成影响的说法,因此斥力波的波长有可能是夸克这样的一个数量级.考虑到夸克和中微子都有六种之多,我认为宇宙大爆炸前不可能存在这么复杂的形态,它们下层应该是较为简单的基本粒子来组合成它们目前多姿多彩的形态,所以最最基本粒子比夸克还要小.于是,如果斥力波仍然没有影响夸克这一级的运动形态的话,它的波长将有可能夸克还小,因此斥力波的波长有可能在0.01fm至10fm之间（1fm = 10的 负15次方米）.（以上关于波的力学的东东从略）
斥力波的速度.要求解这个速度就要有一个前提假设,否则的话就无从求解.我们要假设相对论在任何形态空间都成立,特别是质能方程——在这我要先特别提一下霍金提出的在黑洞中一切物理定律都失效的说法,不过反过来看问题的话,没有相对论,你霍金又如何想得出黑洞来.斥力波是由基本粒子释放出来的一种能量波,它需要消耗基本粒子的质量,问题是基本粒子中有多少的比例参与释放这种能量.显然不是基本粒子的全部,否则将来某一天所有物质都会因为变成斥力波而在宇宙中消失,不符合宇宙大爆炸的原理.我首先假设是1：1的比例,但很快发现这种比例是无法构成宇宙大爆炸的条件的,它必须小于这个比例,甚至远远小于这个比例,也就是说产生斥力波的物质只有总物质很小的一部分.通过相对论的质能方程我们就可以知道,一旦这个比例小于1：1,斥力波的速度就已经大于光速.知道这个条件后,求解斥力波的速度就有了一定的眉目.但是目前科技对最基本粒子的了解还是很少,在原子核内部找出物质间的比例关系非常难,尽是一些无限值,或者是区间很大的数值,没有太大价值.于是我转入宇宙学寻找出路,很快在一系列的宇宙参数中找到了可供参考的参数,在剃除一些荒谬的计算结果后得到一个比较接近预期的数值——2505光年/秒,略大于光速的平方.这个数值显然相当巨大,不可否认在计算过程中选用单位时或者存在不恰当之处,但结果却比较符合我对宇宙大爆炸的一些假设——这种特殊的空间能量在不影响宇宙结构的情况下却起着决定宇宙命运的作用,同样宇宙也需要这样的能量来制造奇迹.我想如果我们一直停留在光速是最快的速度的思维空间里的话,已经来到地球的外星人一定这么笑话我们：“小样,用光速就想到我家做客?等下地球一个物种有了文明再来吧.”
剩下的频率和振幅似乎已经不再引起读者足够的兴趣,有兴趣的朋友可以自己计算,我们转回问题的开头.我们既然算是大致上了解了斥力波的基本属性,作为双生子之一的引力波可能也具有相同的属性,好像可以得到将来探测技术提高的情况下就有可能探测到它们,只是存在如何区分它们的难题的这么一个结论.但是并非如此简单,事实上我在本论坛上发表过一篇题为《时空机器可能么?一个可能是恐龙灭绝的试验》的帖子里提出微观物质间具有同步共振的机理,在这里我要加以解释的是这种同步共振的机理就是由斥力波造成的,反过来它也影响了人们试图探测到这对双生子的可能性,物质的同步共振就像速度相同、同向的两列火车,谁能说得清楚谁是运动,谁是静止得呢?首先被黑洞吸收就会释放能量
而1L所说的会有东西逃逸出来
那只是被释放的能量而已
光速不等于逃逸速度
固然都和速度沾边
假如你能搜一下 光锥这个东西 大约就能明白了
你也能够经过洛伦兹变换式的最后一个方程了如指掌为什么C是最快的
人们所感兴趣的超光速,一般是指超光速传递能量或者信息.根据狭义相对 论,这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的.目前关于超光速的 争论,大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速,但是不能用它们传递能 量或者信息.但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性.
首先讨论第一种情况：并非真正意义上的超光速.
1.切伦科夫效 应媒质中的光速比真空中的光速小.粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质 中的光速.在这种情况下会发生辐射,称为切仑科夫效应.这不是真正意义上的 超光速,真正意义上的超光速是指超过真空中的光速.
2.第三观察者 如果A相对于C以0.6c的速度向东运动,B相对于C以0.6c的速度向西运动.对 于C来说,A和B之间的距离以1.2c的速度增大.这种“速度”--两个运动物体之 间相对于第三观察者的速度--可以超过光速.但是两个物体相对于彼此的运动速 度并没有超过光速.在这个例子中,在A的坐标系中B的速度是0.88c.在B的坐标 系中A的速度也是0.88c.
3.影子和光斑 在灯下晃动你的手,你会发现影子的速度比手的速度要快.影子与手晃动的 速度之比等于它们到灯的距离之比.如果你朝月球晃动手电筒,你很容易就能让 落在月球上的光斑的移动速度超过光速.遗憾的是,不能以这种方式超光速地传 递信息.
4.刚体 敲一根棍子的一头,振动会不会立刻传到另一头?这岂不是提供了一种超光 速通讯方式?很遗憾,理想的刚体是不存在的,振动在棍子中的传播是以声速进 行的,而声速归根结底是电磁作用的结果,因此不可能超过光速.(一个有趣的 问题是,竖直地拎着一根棍子的上端,突然松手,是棍子的上端先开始下落还是 棍子的下端先开始下落?答案是上端.)
5.相速度 光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速.相速度是指连续的 (假定信号已传播了足够长的时间,达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段 距离后的相位滞后所对应的“传播速度”.很显然,单纯的正弦波是无法传递信 息的.要传递信息,需要把变化较慢的波包调制在正弦波上,这种波包的传播速 度叫做群速度,群速度是小于光速的.(译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒 质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中 的传播速度不可能超过光速.)
6.超光速星系 朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速.这是一种假象,因为没有修正 从星系到我们的时间的减少(?).
7.相对论火箭 地球上的人看到火箭以0.8c的速度远离,火箭上的时钟相对于地球上的人变 慢,是地球时钟的0.6倍.如果用火箭移动的距离除以火箭上的时间,将得到一 个“速度”是4/3 c.因此,火箭上的人是以“相当于”超光速的速度运动.对 于火箭上的人来说,时间没有变慢,但是星系之间的距离缩小到原来的0.6倍, 因此他们也感到是以相当于4/3 c的速度运动.这里问题在于这种用一个坐标系 的距离除以另一个坐标系中的时间所得到的数不是真正的速度.
8.万有引力传播的速度 有人认为万有引力的传播速度超过光速.实际上万有引力以光速传播.
9.EPR悖论 1935年Einstein,Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的 不完全性.他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的 超距作用.Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息,因此超光速通信不 存在.但是关于EPR悖论仍有争议.
10.虚粒子 在量子场论中力是通过虚粒子来传递的.由于海森堡不确定性这些虚粒子可 以以超光速传播,但是虚粒子只是数学符号,超光速旅行或通信仍不存在.
11.量子隧道 量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的势垒的效应,在经典物理中这种情况 不可能发生.计算一下粒子穿过隧道的时间,会发现粒子的速度超过光速.(Ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33, 3427 (1962))一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验：他们声称以 4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲.当然,这引起了很 大的争议.大多数物理学家认为,由于海森堡不确定性,不可能利用这种量子效 应超光速地传递信息.如果这种效应是真的,就有可能在一个高速运动的坐标系 中利用类似装置把信息传递到过去.
Ref:W. Heitmann and G. Nimtz, Phys Lett A196, 154 (1994);A. Enders and G. Nimtz, Phys Rev E48, 632 (1993) Terence Tao认为上述实验不具备说服力.信号以光速通过11.4cm的距离用 不了0.4纳秒,但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号.因此需 要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验.
12.卡西米(Casimir)效应 当两块不带电荷的导体板距离非常接近时,它们之间会有非常微弱但仍可测 量的力,这就是卡西米效应.卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的. Scharnhorst的计算表明,在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于 光速(对于一纳米的间隙,这个速度比光速大10-24.在特定的宇宙学条件下(比 如在宇宙弦[cosmicstring]的附近[假如它们存在的话]),这种效应会显著得多. 但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信. Ref:K. Scharnhorst, Physics Letters B236, 354 (1990)S. Ben-Menahem, Physics Letters B250, 133 (1990)Andrew Gould (Princeton, Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25Barton & Scharnhorst, J Phys A26, 2037 (1993)
13.宇宙膨胀 哈勃定理说：距离为D的星系以HD的速度分离.H是与星系无关的常数,称为 哈勃常数.距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离,但这是相对于第 三观察者的分离速度.
14.月亮以超光速的速度绕着我旋转! 当月亮在地平线上的时候,假定我们以每秒半周的速度转圈儿,因为月亮离 我们385,000公里,月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里,大约是光速 的四倍多!这听起来相当荒谬,因为实际上是我们自己在旋转,却说是月亮绕这 我们转.但是根据广义相对论,包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的, 这难道不是月亮以超光速在运动吗?
问题在于,在广义相对论中,不同地点的速度是不可以直接比较的.月亮的 速度只能与其局部惯性系中的其他物体相比较.实际上,速度的概念在广义相对 论中没多大用处,定义什么是“超光速”在广义相对论中很困难.在广义相对论 中,甚至“光速不变”都需要解释.爱因斯坦自己在《相对论：狭义与广义理论》 第76页说“光速不变”并不是始终正确的.当时间和距离没有绝对的定义的时候, 如何确定速度并不是那么清楚的.
尽管如此,现代物理学认为广义相对论中光速仍然是不变的.当距离和时间 单位通过光速联系起来的时候,光速不变作为一条不言自明的公理而得到定义. 在前面所说的例子中,月亮的速度仍然小于光速,因为在任何时刻,它都位于从 它当前位置发出的未来光锥之内.
15.明确超光速的定义 第一部份列举的各种似是而非的“超光速”例子表明了定义“超光速”的困 难.象影子和光斑的“超光速”不是真正意义的超光速,那么,什么是真正意义上的超光速呢?在相对论中“世界线”是一个重要概念,我们可以借助“世界线”来给“超 光速”下一个明确定义.
什么是“世界线”?我们知道,一切物体都是由粒子构成的,如果我们能够 描述粒子在任何时刻的位置,我们就描述了物体的全部“历史”.想象一个由空 间的三维加上时间的一维共同构成的四维空间.由于一个粒子在任何时刻只能处 于一个特定的位置,它的全部“历史”在这个四维空间中是一条连续的曲线,这 就是“世界线”.一个物体的世界线是构成它的所有粒子的世界线的集合.
不光粒子的历史可以构成世界线,一些人为定义的“东西”的历史也可以构 成世界线,比如说影子和光斑.影子可以用其边界上的点来定义.这些点并不是 真正的粒子,但它们的位置可以移动,因此它们的“历史”也构成
世界线.
四维时空中的一个点表示的是一个“事件”,即三个空间坐标加上一个时间 坐标.任何两个“事件”之间可以定义时空距离,它是两个事件之间的空间距离 的平方减去其时间间隔与光速的乘积的平方再开根号.狭义相对论证明了这种时 空距离与坐标系无关,因此是有物理意义的.
时空距离可分三类： 类时距离：空间间隔小于时间间隔与光速的乘积； 类光距离：空间间隔等于时间间隔与光速的乘积； 类空距离：空间间隔大于时间间隔与光速的
引力波发现的意义（四）:
为什么说反重力是人们的梦想
百科名片 众所周知,重力等于物体质量乘以物体的加速众所周知,重力等于物体质量乘以物体的加速度g即G=mg也就是说我们之所以可以停留在地球上而没有被甩到宇宙空间的原因.当物体的加速度不变时,重力的大小取决于物体的质量.当质量越大时引力越大.而反重力系统就是给物体一个反作用力.当这个反作用力大于物体的重力时,这个物体就可以脱离地球的引力.在一定重力与反重力之间达到平衡时.就可以悬浮在大气层与地表之间.当然,我们同样要考虑到大气压强的问题.只有作用与反作用力达到平衡时我们才能脱离 地球引力悬浮在空中. 目录[隐藏]爱因斯坦的广义相对论预言 引力波 爱因斯坦的预言其后的理论推导科学家的研究 反重力给世界带来的影响 反重力的研究 缘起 波德克列特诺夫的论文 NASA的实验 波德克列特诺夫的进展高达科幻世界的设想 融合时代的黎明 米洛夫斯基粒子 早期运用 I-力场的其他运用 MEGA粒子爱因斯坦的广义相对论预言 引力波 爱因斯坦的预言其后的理论推导科学家的研究 反重力给世界带来的影响 反重力的研究 缘起 波德克列特诺夫的论文 NASA的实验 波德克列特诺夫的进展高达科幻世界的设想 融合时代的黎明 米洛夫斯基粒子 早期运用 I-力场的其他运用 MEGA粒子
[编辑本段]爱因斯坦的广义相对论预言引力波 引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波,在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低,引力波穿透性极强,地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等.引力波是波动形式和有限速度传播的引力场. 爱因斯坦的预言其后的理论推导 爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在,但他提出的引力波与坐标的选取有关,在某一个参考系看来,引力波可能有能量,而换一个参考系可能就没有.因此在提出引力波存在的初期,包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度.1956年,皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年,邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在.1959年,邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明,静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动,于是间接地证明引力波携带能量,并可被探测到.由于引力辐射极其微弱,目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波,而大质量天体的激烈运动,比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波. [编辑本段]科学家的研究 多年来,各国科学家都在致力于探测引力波,美国马里兰大学的科学家韦伯首创用一根铝棒作为天线进行探测,并声称探测到了不能排除是引力波的信号,但其他科学家都没有得到这一结果,韦伯的结论没有得到公认.现在对引力波的研究方兴未艾,反引力或称反重力研究又提上了日程,这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想,科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华.中国科学家在这方面已经做了有价值的实验和研究. [编辑本段]反重力给世界带来的影响 自从英国科幻小说作者威尔斯描述了“反重力”（能够屏蔽重力影响,使宇宙飞船飞向月球）后,反重力已经成为人类一个多世纪的梦想.如果反重力是确实存在的,它必将改变整个世界.汽车、火车、轮船,所有你能想到的交通系统,都能通过从引力场中获取的能量驱动.这一会改变世界科学界和航空航天界禁忌的反重力研究,目前再次受到人们的关注,因为有消息说世界上最大的飞机制造商波音公司正在探索一些新概念,这些新概念可能在将来某一天彻底改变一个世纪来的推进技术. 波音公司进行的反重力研究概括起来就是该公司一个名为“先进空间推进技术重力研究（Grasp）”的项目.《简氏防务周刊》获得的一份有关文件阐述了波音公司认为该项目获得成功的重大意义.文件中写道：“如果反重力是确实存在的,它必将改变整个航空航天事业.”这种评价可能还不够.如果反重力是确实存在的,它必将改变整个世界.汽车、火车、轮船,所有你能想到的交通系统,都能通过“无推进剂推进”———一种从重力场中获取能量的模式来驱动. [编辑本段]反重力的研究缘起 尽管,反重力是人们一个美好的梦想,但是传统科学长期认为,反重力是不可能的.1992年4月,已故的英国索尔福德大学教授、当时担任英国航天防御系统战略项目负责人的布赖恩·扬在伦敦机械工程师学会发表演讲,他在演讲中解释了为什么进行反重力研究与航空航天业乃至世界都有关.“Grasp”简报说明了波音公司为什么必须雇佣俄罗斯材料专家叶夫根尼·波德克列特诺夫的原因.波德克列特诺夫声称发明了可以屏蔽重力影响的装置. 波德克列特诺夫的论文 1992年,任职于芬兰坦佩雷技术大学的波德克列特诺夫向一家英国物理学杂志提交了一篇论文,他描述了被置于高速旋转的超导体（极低温度时失去电阻）上面的一个物体如何失去将近2％的重量.这篇论文泄漏给了一家报纸.一来因为它涉及禁忌的“反重力”概念,二来因为它在主流物理界掀起了轩然大波,波德克列特诺夫被学校开除了.但这位俄罗斯人的研究吸引了美国国家航空航天局的注意,该局早已同亨茨维尔亚拉巴马大学的一位研究员有联系,这位研究员宣称她能制造出一种类重力场,能够利用高速旋转超导体排斥或吸引物体. NASA的实验 在20世纪90年代中期,位于亚拉巴马州的美国国家航空航天局马歇尔航天中心在重复波德克列特诺夫的实验时失败了.但是,该中心承认,不知道这位俄罗斯人制作超导盘的独特方法,它在很大程度上是在盲目地进行研究. 波德克列特诺夫的进展 几年前,美国国家航空航天局向俄亥俄州哥伦布超导元件公司支付60万美元,制造波德克列特诺夫曾使用过的装置,并且聘请了这位俄罗斯人做顾问.这项实验虽然被延期了,但该项实验的负责人罗恩·科措尔自信实验可以完成.现任职于莫斯科化学研究中心的波德克列特诺夫,进一步发展了自己的思想.他同意大利科学家乔瓦尼·莫达内塞联合发表了一篇论文,详细介绍了一种“冲量重力发生器”的研究工作,它能对所有物体产生一种斥力.该设备使用一个强放电源“发射器”和一个超导“发射器”,制造出了一种“重力冲量”.波德克列特诺夫说：“时间很短,沿着放电的线路以极快的速度（实际上是瞬时）进行传播,经过许多不同物体,没有任何显著的能量损失.”他说,实验结果是对光束击中的任何物体都产生了推力作用,大小同物体质量成正比.波德克列特诺夫在调整一个激光瞄准装置时说,他的实验装置已经显示有能力击倒1公里外的物体,他声称,这一装置用同样的能量可以击倒200公里外的物体.正是波德克列特诺夫的“冲量重力发生器”的研究工作引起了波音公司的注意.在那份“Grasp”简报中,波音公司描述了该装置发出的光束如何不受任何电磁屏蔽影响,可以穿透任何物体而达到目标. [编辑本段]高达科幻世界的设想 在高达世界里,几乎所有的高科技都建立在一个科技奇迹的前提之下--令人惊奇的米洛夫斯基物理学.这个世界性的科学体系以它的发起者,T.Y(有时也作Y.T)米洛夫斯基博士来命名.尽管最初的一眼你或许会认为这整篇文章都是废话,但20年来在高达的作者和众多爱好者的努力下,神秘的米洛夫斯基物理学有了令人吃惊的详细内容. 融合时代的黎明 米洛夫斯基物理学领域的发现是从一个开发有实际意义的核融合炉开始的.这项研究在UC 0047年由Side 3的米洛夫斯基物理学会进行,在米洛夫斯基博士核他的同事们的多年努力下,米洛夫斯基型反应堆终于完成了.与传统的只能由多层混凝土阻挡其放射性的融合反应堆不同,这个米洛夫斯基型反应堆是一个不具有任何放射性的"干净的"反应堆. 2He3 + 1H2 -> 2He4 + p (释放出: 18.35 MeV) 这个反应堆使用一种稀少的氦同位素helium-3,它能和氘原子融合成普通的氦.这个反应也会产生质子,但这种带电荷的粒子很容易被磁场阻挡住.唯一的问题就是helium-3非常稀少；在地球的大气中氦不少,但helium-3只占其中的1/700,000.然而,在路纳的土壤里发现了大量由太阳风带来的helium-3,由此,人们转而向行星中去寻找helium-3.高达世界里核融合炉的helium-3主要靠外太阳系的木星能源船队来供应 米洛夫斯基粒子 在UC 0065年米洛夫斯基物理学会的研究员在研究米洛夫斯基型反应堆时发现了一个奇怪的电磁波现象,这个现象完全不能用传统的物理学来解释.在随后数年中,他们找出了原因：在helium-3反应时产生了一种新型的粒子,这种粒子随后被命名为米洛夫斯基粒子. 米洛夫斯基粒子有着接近0的静止质量,以及,像其他粒子一样当动能增加时它的质量也增加、可以携带正负电荷的特性.当把这种粒子散布到空气或空间中时,带有电荷的米洛夫斯基粒子会由于之间的排斥力自发地形成成空间的格状结构,这种粒子散布状况被叫做I-力场.I-力场能造成干涉的效果,叫做米洛夫斯基效应,可以阻挡低频率的电磁波例如雷达核微波的传递--甚至连红外线都可以影响,但不能完全阻挡.I-力场自己是布可见的,只能检测到它的存在. 早期运用 随着多鲁滋·扎比的统治下的吉恩公国的崛起,吉恩军很快开始了这个发现的军事运用研究.在UC0070年,及吉恩军的研究员证明,大量地散布米洛夫斯基粒子可以暂时地使雷达和无线电联络失去作用,这样,在视野内的近战就不可避免了.米洛夫斯基粒子的散布能力是高达世界中空间战舰的标准特征,但机动战士没有这个能力. 在UC 0071年,吉恩的研究员们建造了超小型的米洛夫斯基核融合炉.替代了传统的磁场,这个改进型的米洛夫斯基核融合炉使用一个I-力场来限制和压缩反应燃料,从而触发热核反应.作为helium-3反应堆副产品的米洛夫斯基粒子从而也被回收使用来保证反应堆的运行.米洛夫斯基粒子形成的I-力场格也起到了热核反应的催化剂的作用,与真实世界中1950年发现的核反应中的介子的催化作用一样.这个高效率的设计的大小只有同样出力的旧米洛夫斯基核融合炉的五分之一. I-力场的其他运用 只要一带电荷,I-力场就不能透过金属、水、地表、以及其他任何可以导电的物质.然而,在贴近地面的地方,利用这种特性可以在地面和战舰的底部之间产生一种I-力场的垫子,构成一个反重力的浮力场.这个原理被用作一年战争中米洛夫斯基飞行器系统的基础并最终成为所有宇宙战舰的标准配置,但后来几十年内还是未能实现能够装备在机动战士上面的米洛夫斯基飞行系统的小型化. I力场的另一个运用,也就是大家最为熟悉的,就是I-力场防御屏.屏障发生器在自己周围产生一个浓密的I-力场形成一个可以抵御米洛夫斯基物理学光束武器的攻击的屏障.这个屏障对于激光和类似导弹的物理攻击不起作用,而在屏障内,光束武器还是可以发挥它们本来的致命效果. 然而由于I-力场防御屏需要大量的能量并且发热极高,故它没有被使用在普通的机动战士上,它一般装备在机动装甲像MA-08大扎姆和MRX-009精神力高达上.即使是装备在足够大的机动装甲上,散热还是一个很大的问题,因此,大扎姆只能维持这个屏障15～20分钟.另外,由于I-力场防御屏的原理与米洛夫斯基飞行系统的原理基本一致,从而很容易结合这两种系统,所以一般装备了其中一种系统的机动装甲同时也装备了另外的一种. MEGA粒子 不可思议的米洛夫斯基物理学还有一个重大运用.由于米洛夫斯基粒子间的排斥作用,把粒子们压制成I-力场的晶格结构需要大量的能量.如果能提供足够的能量,I-力场就会成功地形成,米洛夫斯基粒子最后形成了具有很大质量,不带电荷的MEGA粒子. 被用来形成MEGA粒子的能量以速度和质量的形式表现了出来.MEGA粒子不再维持I-力场的晶格结构,而从I-力场中爆发出来.这个高速运动的重粒子流不像传统的荷电粒子光束,它不能被磁场阻挡.在UC0070年,吉恩的研究员们利用这个现象研制成了可怕的MEGA粒子加农炮.
引力波发现的意义（五）:
获得诺贝尔物理学奖的科学家的人名
全部
1、1901年：伦琴（德国）发现X射线
2、1902年：洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究
3、1903年：贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭
4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩
5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究
6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子
7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究
8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）
9、1909年：马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究,特别是发现理查森定律
10、1910年：范德瓦尔斯（荷兰）关于气态和液态方程的研究
11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律
12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置
13、1913年：昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦
14、1914年：劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象
15、1915年：W·H·布拉格、W·L·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究
16、1916年：未颁奖
17、1917年：巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性
18、1918年：普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献
19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象
20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性
21、1921年：爱因斯坦（德国 犹太人）他对数学物理学的成就,特别是光电效应定律的发现
22、1922年：玻尔（丹麦 犹太人）关于原子结构以及原子辐射的研究
23、1923年：密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应
24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线
25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律
26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡
27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室,能显示出电子穿过空气的径迹
28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象,并提出理查森定律
29、1929年：路易·维克多·德·布罗伊（法国）发现电子的波动性
30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应
31、1931年：未颁奖
32、1932年：海森堡（德国）在量子力学方面的贡献
33、1933年：薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论
34、1934年：未颁奖
35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子
36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子
37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象
38、1938年：费米（意大利 犹太人）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应
39、1939年：劳伦斯（美国）发明回旋加速器,并获得人工放射性元素
40、1940——1942年：未颁奖
41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩
42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法
43、1945年：泡利（奥地利 犹太人）发现泡利不相容原理
44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置,并在高压物理学领域作出发现
45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究,发现阿普顿层（电离层）
46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现
47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在
48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法,并发现π介子
49、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变
50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法
51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜
52、1954年：玻恩（英国 犹太人）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法,用以研究原子核反应和γ射线
53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术,进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩,创新了核理论
54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究
55、1957年：李政道、杨振宁（美籍华人）发现弱相互作用下宇称不守衡,从而导致有关基本粒子的重大发现
56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应
57、1959年：塞格雷、张伯伦 (Owen Chamberlain)（美国）发现反质子
58、1960年：格拉塞（美国 犹太人）发现气泡室,取代了威尔逊的云雾室
59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应
60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质,特别是液氦的开创性理论
61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构
62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果,为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器
63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费因曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果
64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法
65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献,特别是关于恒星能源的发现
66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析,发现大量共振态
67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现
68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现,及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现
69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法
70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论
71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质,即约瑟夫森效应
72、1974年：赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星
73、1975年：A·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系,并且根据这种联系提出核结构理论
74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子
75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究
76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射
77、1979年：格拉肖、温伯格（美国）、萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献,并预言弱中性流的存在
78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒
79、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪
80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论,阐明相变临界现象
81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限,对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究
82、1984年：鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法,使质子-反质子束对撞产生W和Z粒子的实验成为可能
83、1985年：冯·克里津（德国 犹太人）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术
84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜
85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料
86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束,并发现中微子,从而证明了轻子的对偶结构
87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术
88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在
89、1991年：热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式,特别是推广到液晶和聚合物的研究中
90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室
91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星,由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在
92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术
93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子
94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素
95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法
96、1998年：劳克林、斯特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应
97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构
98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论,并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路
99、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就
100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献,其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面的成就.”
101、2003年：阿列克谢·阿布里科索夫、安东尼·莱格特（美国）、维塔利·金茨堡（俄罗斯）“表彰三人在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献.”
102、2004年：戴维·格罗斯（David J. Gross,美国）、戴维·普利策（H. David Politzer,美国）和弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek,美国）,为表彰他们“对量子场中夸克渐进自由的发现.”
103、2005年：罗伊·格劳伯（Roy J. Glauber,美国）表彰他对光学相干的量子理论的贡献；约翰·霍尔（John L. Hall,美国）和特奥多尔·亨施（Theodor W. Hänsch,德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献.
104、2006年: 约翰·马瑟（美国）和乔治·斯穆特（美国） 表彰他们发现了黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象.
105、2007年,法国科学家艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格,表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献.
106、2008年：日本科学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）,表彰他发现了亚原子物理的对称性自发破缺机制. 日本科学家小林诚（Makoto Kobayashi）,益川敏英（Toshihide Maskawa）提出了对称性破坏的物理机制,并成功预言了自然界至少三类夸克的存在.
引力波发现的意义（六）:
相对论主要说明什么【引力波发现的意义】
【狭义相对论】
马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大.马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关.时空的观念是通过经验形成的.绝对时空无论依据什么经验也不能把握.休谟更具体的说：空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的可见的对象充满空间.而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的.1905年爱因斯坦指出,迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的,光速是不变的.而牛顿的绝对时空观念是错误的.不存在绝对静止的参照物,时间测量也是随参照系不同而不同的.他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换.创立了狭义相对论.
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解.在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间.现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论.
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知.我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里（不含时间）转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的.四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系.
四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量（或能量）并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大.在四维时空里,质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了.在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢.另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等.值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述.四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的.可以说至少它比牛顿力学要完美的多.至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑.
相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量.这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系.在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系.
【狭义论原理】
物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动.也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系.
伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止.更无从感知速度的大小,因为没有参考.比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的.爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理.其内容是：惯性系之间完全等价,不可区分.
著名的麦克尔逊·莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论.也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的.这就是狭义相对论的第二个基本原理：光速不变原理.
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容.比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右.在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0.99倍光速,人的速度也是0.99倍光速,那么地面观测者的结论不是1.98倍光速,而是0.999949倍光速.车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速.因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的.速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的.正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺.
【狭义论效应】
根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间.在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性.
相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应.可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了.
尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差.由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同.相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点.
由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性.也就是说,时间进度与参考系有关.这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量.比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的".这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时.也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟.
【时钟双生子佯谬】
相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬.一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球.爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻.许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论.如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式.在此只是用语言来描述一种最简单的情形.不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍.我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻.
为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇.这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响.在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻.在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程.在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方.这是一个"超光速"过程.只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速.如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较.火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间.B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了.在B看来,A先是比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了.重逢时,自己仍比A年轻.也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾.
【狭义论小结】
相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变.经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架,而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变,在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂.因此经典力学与要进行修改,修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变,称为相对论力学.
狭义相对论建立以后,对物理学起到了巨大的推动作用.并且深入到量子力学的范围,成为研究高速粒子不可缺少的理论,而且取得了丰硕的成果.然而在成功的背后,却有两个遗留下的原则性问题没有解决.第一个是惯性系所引起的困难.抛弃了绝对时空后,惯性系成了无法定义的概念.我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系.惯性定律实质一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态.然而"不受外力"是什么意思?只能说,不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动.这样,惯性系的定义就陷入了逻辑循环,这样的定义是无用的.我们总能找到非常近似的惯性系,但宇宙中却不存在真正的惯性系,整个理论如同建筑在沙滩上一般.第二个是万有引力引起的困难.万有引力定律与绝对时空紧密相连,必须修正,但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了,万有引力无法纳入狭义相对论的框架.当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力,其中一种就冒出来捣乱,情况当然不会令人满意.
爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论,然而为解决这两个困难,建立起广义相对论却用了整整十年时间.为解决第一个问题,爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位,把相对性原理推广到非惯性系.因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题.在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力.在深入研究了惯性力后,提出了著名的等性原理,发现参考系问题有可能和引力问题一并解决.几经曲折,爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论.广义相对论让所有物理学家大吃一惊,引力远比想象中的复杂的多.至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解.它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止.就在广义相对论取得巨大成就的同时,由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破.然而物理学家们很快发现,两大理论并不相容,至少有一个需要修改.于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派.直到现在争论还没有停止,只是越来越多的物理学家更倾向量子理论.爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获.不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论.目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论.
【广义相对论】
相对论问世,人们看到的结论就是：四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说,以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等.这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论".甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论".更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论.其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不是高不可攀的.
相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何,而是黎曼几何.相信很多人都知道非欧几何,它分为罗氏几何与黎氏几何两种.黎曼从更高的角度统一了三种几何,称为黎曼几何.在非欧几何里,有很多奇怪的结论.三角形内角和不是180度,圆周率也不是3.14等等.因此在刚出台时,倍受嘲讽,被认为是最无用的理论.直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视.
空间如果不存在物质,时空是平直的,用欧氏几何就足够了.比如在狭义相对论中应用的,就是四维伪欧几里得空间.加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i.当空间存在物质时,物质与时空相互作用,使时空发生了弯曲,这是就要用非欧几何.
相对论预言了引力波的存在,发现了引力场与引力波都是以光速传播的,否定了万有引力定律的超距作用.当光线由恒星发出,遇到大质量天体,光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星.一般情况下,看到的是个环,被称为爱因斯坦环.爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是稳定的,它要么膨胀要么收缩.当时宇宙学认为,宇宙是无限的,静止的,恒星也是无限的.于是他不惜修改场方程,加入了一个宇宙项,得到一个稳定解,提出有限无边宇宙模型.不久哈勃发现著名的哈勃定律,提出了宇宙膨胀学说.爱因斯坦为此后悔不已,放弃了宇宙项,称这是他一生最大的错误.在以后的研究中,物理学家们惊奇的发现,宇宙何止是在膨胀,简直是在爆炸.极早期的宇宙分布在极小的尺度内,宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理.这样,物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支：粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来.就像高中物理序言中说的那样,如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴.值得一提的是,虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了,但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一,而且是最有希望的.近年来宇宙项又被重新重视起来了.黑洞问题将在今后的文章中讨论.黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言,它们的内容却已经超出了相对论的限制,与量子力学,热力学结合的相当紧密.今后的理论有希望在这里找到突破口.
【广义论原理】
由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理：广义相对性原理.其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效的.这与狭义相对性原理有很大区别.在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别.但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律.这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求.通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3.14.因此,普通参考系应该用黎曼几何来描述.第二个原理是光速不变原理：光速在任意参考系内都是不变的.它等效于在四维时空中光的时空点是不动的.当时空是平直的,在三维空间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动.可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子.第三个原理是最著名的等效原理.质量有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义.引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义.它们是互不相干的两个定律.惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系.那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系.然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等).广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容.惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系.这样,非惯性系与引力之间也建立了联系.那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系.由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对论的一切理论.初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道.等效原理使爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质.由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空.在广义相对论建立之初,曾有第四条原理,惯性定律：不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动.在黎曼时空中,就是沿着测地线运动.测地线是直线的推广,是两点间最短(或最长)的线,是唯一的.比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧.但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯性定律变成了惯性定理.值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆.这样提出是为了解释行星运动.他自然被牛顿力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速圆周而已.
【蚂蚁与蜜蜂几何学】
设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁,因为是二维生物,所以没有第三维感觉.如果蚂蚁生活在大平面上,就从实践中创立欧氏几何.如果它生活在一个球面上,就会创立一种三角和大于180度,圆周率小于3.14的球面几何学.但是,如果蚂蚁生活在一个很大的球面上,当它的"科学"还不够发达,活动范围还不够大,它不足以发现球面的弯曲,它生活的小块球面近似于平面,因此它将先创立欧氏几何学.当它的"科学技术"发展起来时,它会发现三角和大于180度,圆周率小于3.14等"实验事实".如果蚂蚁够聪明,它会得到结论,它们的宇宙是一个弯曲的二维空间,当它把自己的"宇宙"测量遍了时,会得出结论,它们的宇宙是封闭的(绕一圈还会回到原地),有限的,而且由于"空间"(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同,它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来,认为宇宙是"圆形的".由于没有第三维感觉,所以它无法想象,它们的宇宙是怎样弯曲成一个球的,更无法想象它们这个"无边无际"的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面.它们很难回答"宇宙外面是什么"这类问题.因为,它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间,很难形成"外面"这一概念.
对于蚂蚁必须借助"发达的科技"才能发现的抽象的事实,一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来.因为蜜蜂是三维空间的生物,对于嵌在三维空间的二维曲面是"一目了然"的,也很容易形成球面的概念.蚂蚁凭借自己的"科学技术"得到了同样的结论,却很不形象,是严格数学化的.
由此可见,并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况,聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲,并最终建立起完善的球面几何学,其认识深度并不比蜜蜂差多少.
黎曼几何是一个庞大的几何公理体系,专门用于研究弯曲空间的各种性质.球面几何只是它极小的一个分支.它不仅可用于研究球面,椭圆面,双曲面等二维曲面,还可用于高维弯曲空间的研究.它是广义相对论最重要的数学工具.黎曼在建立黎曼几何时曾预言,真实的宇宙可能是弯曲的,物质的存在就是空间弯曲的原因.这实际上就是广义相对论的核心内容.只是当时黎曼没有像爱因斯坦那样丰富的物理学知识,因此无法建立广义相对论.
【广义论的验证】
爱因斯坦在建立广义相对论时,就提出了三个实验,并很快就得到了验证：(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动.直到最近才增加了第四个验证：(4)雷达回波的时间延迟.
(1)引力红移：广义相对论证明,引力势低的地方固有时间的流逝速度慢.也就是说离天体越近,时间越慢.这样,天体表面原子发出的光周期变长,由于光速不变,相应的频率变小,在光谱中向红光方向移动,称为引力红移.宇宙中有很多致密的天体,可以测量它们发出的光的频率,并与地球的相应原子发出的光作比较,发现红移量与相对论预言一致.60年代初,人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22.5M产生的红移,结果与相对论预言一致.
(2)光线偏折：如果按光的波动说,光在引力场中不应该有任何偏折,按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物,用普朗克公式E=hr和质能公式E=MC^2求出光子的质量,再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0.87秒,按广义相对论计算的偏折角是1.75秒,为上述角度的两倍.1919年,一战刚结束,英国科学家爱丁顿派出两支考察队,利用日食的机会观测,观测的结果约为1.7秒,刚好在相对论实验误差范围之内.引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折.最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折,不必等待日食这种稀有机会.精密测量进一步证实了相对论的结论.
(3)水星近日点的进动：天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒,人们考虑了各种因素,根据牛顿理论只能解释其中的5557秒,只剩43秒无法解释.广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差,这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒.
(4)雷达回波实验：从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间,来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代,美国物理学家克服重重困难做成了此实验,结果与相对论预言相符.
仅仅依靠这些实验不足以说明相对论的正确性,只能说明它是比牛顿引力理论更精确的理论,因为它既包含牛顿引力论,又可以解释牛顿理论无法解释的现象.但不能保证这就是最好的理论,也不能保证相对论在时空极度弯曲的区域(比如黑洞)是否成立.因此,广义相对论仍面临考验.
对相对论的批评：（来源： 倒相对论 南丰公益书院 ）
倒相对论
相对论的提出,同样受到很多的指责,有很多人认为它是错误的,并大大阻碍了社会的发展.然而这种观点并不被主流科学界所接受.
观点如下：
1、推翻光的波粒二象性,即证明光只是波,或光只是粒子
2、推翻光速不变定律,即证明存在以太或存在绝对坐标
3、证明牛顿理论的正确性
引力波发现的意义（七）:
介绍一下爱因斯坦关于时间倒流的学说定理
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论).相对论的基本假设是光速不变原理,相对性原理和等效原理.相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱.奠定了经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体.相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题.相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”,“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念
【狭义相对论】
马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大.马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关.时空的观念是通过经验形成的.绝对时空无论依据什么经验也不能把握.休谟更具体的说：空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的可见的对象充满空间.而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的.1905年爱因斯坦指出,迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的,光速是不变的.而牛顿的绝对时空观念是错误的.不存在绝对静止的参照物,时间测量也是随参照系不同而不同的.他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换.创立了狭义相对论.
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解.在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间.现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论.
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知.我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里（不含时间）转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的.四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系.
四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量（或能量）并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大.在四维时空里,质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了.在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢.另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等.值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述.四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的.可以说至少它比牛顿力学要完美的多.至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑.
相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量.这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系.在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系.
狭义相对论基本原理
物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动.也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系.
伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止.更无从感知速度的大小,因为没有参考.比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的.爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理.其内容是：惯性系之间完全等价,不可区分.
著名的麦克尔逊•莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论.也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的.这就是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理.
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容.比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右.在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0.99倍光速,人的速度也是0.99倍光速,那么地面观测者的结论不是1.98倍光速,而是0.999949倍光速.车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速.因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的.速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的.正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺.
狭义相对论效应
根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间.在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性.
相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应.可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了.
尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差.由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同.相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点.
由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性.也就是说,时间进度与参考系有关.这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量.比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的".这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时.也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟.
时钟佯谬或双生子佯谬
相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬.一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球.爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻.许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论.如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式.在此只是用语言来描述一种最简单的情形.不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍.我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻.
为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇.这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响.在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻.在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程.在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方.这是一个"超光速"过程.只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速.如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较.火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间.B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了.在B看来,A现实比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了.重逢时,自己仍比A年轻.也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾.
【广义相对论】
相对论问世,人们看到的结论就是：四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说,以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等.这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论".甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论".更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论.其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不是高不可攀的.
相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何,而是黎曼几何.相信很多人都知道非欧几何,它分为罗氏几何与黎氏几何两种.黎曼从更高的角度统一了三种几何,称为黎曼几何.在非欧几何里,有很多奇怪的结论.三角形内角和不是180度,圆周率也不是3.14等等.因此在刚出台时,倍受嘲讽,被认为是最无用的理论.直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视.
空间如果不存在物质,时空是平直的,用欧氏几何就足够了.比如在狭义相对论中应用的,就是四维伪欧几里得空间.加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i.当空间存在物质时,物质与时空相互作用,使时空发生了弯曲,这是就要用非欧几何.
相对论预言了引力波的存在,发现了引力场与引力波都是以光速传播的,否定了万有引力定律的超距作用.当光线由恒星发出,遇到大质量天体,光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星.一般情况下,看到的是个环,被称为爱因斯坦环.爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是稳定的,它要么膨胀要么收缩.当时宇宙学认为,宇宙是无限的,静止的,恒星也是无限的.于是他不惜修改场方程,加入了一个宇宙项,得到一个稳定解,提出有限无边宇宙模型.不久哈勃发现著名的哈勃定律,提出了宇宙膨胀学说.爱因斯坦为此后悔不已,放弃了宇宙项,称这是他一生最大的错误.在以后的研究中,物理学家们惊奇的发现,宇宙何止是在膨胀,简直是在爆炸.极早期的宇宙分布在极小的尺度内,宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理.这样,物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支：粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来.就像高中物理序言中说的那样,如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴.值得一提的是,虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了,但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一,而且是最有希望的.近年来宇宙项又被重新重视起来了.黑洞问题将在今后的文章中讨论.黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言,它们的内容却已经超出了相对论的限制,与量子力学,热力学结合的相当紧密.今后的理论有希望在这里找到突破口.
广义相对论基本原理
由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理：广义相对性原理.其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效的.这与狭义相对性原理有很大区别.在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别.但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律.这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求.通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3.14.因此,普通参考系应该用黎曼几何来描述.第二个原理是光速不变原理：光速在任意参考系内都是不变的.它等效于在四维时空中光的时空点是不动的.当时空是平直的,在三维空间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动.可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子.第三个原理是最著名的等效原理.质量有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义.引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义.它们是互不相干的两个定律.惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系.那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系.然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等).广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容.惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系.这样,非惯性系与引力之间也建立了联系.那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系.由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对论的一切理论.初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道.等效原理使爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质.由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空.在广义相对论建立之初,曾有第四条原理,惯性定律：不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动.在黎曼时空中,就是沿着测地线运动.测地线是直线的推广,是两点间最短(或最长)的线,是唯一的.比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧.但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯性定律变成了惯性定理.值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆.这样提出是为了解释行星运动.他自然被牛顿力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速圆周而已.
蚂蚁与蜜蜂的几何学
设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁,因为是二维生物,所以没有第三维感觉.如果蚂蚁生活在大平面上,就从实践中创立欧氏几何.如果它生活在一个球面上,就会创立一种三角和大于180度,圆周率小于3.14的球面几何学.但是,如果蚂蚁生活在一个很大的球面上,当它的"科学"还不够发达,活动范围还不够大,它不足以发现球面的弯曲,它生活的小块球面近似于平面,因此它将先创立欧氏几何学.当它的"科学技术"发展起来时,它会发现三角和大于180度,圆周率小于3.14等"实验事实".如果蚂蚁够聪明,它会得到结论,它们的宇宙是一个弯曲的二维空间,当它把自己的"宇宙"测量遍了时,会得出结论,它们的宇宙是封闭的(绕一圈还会回到原地),有限的,而且由于"空间"(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同,它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来,认为宇宙是"圆形的".由于没有第三维感觉,所以它无法想象,它们的宇宙是怎样弯曲成一个球的,更无法想象它们这个"无边无际"的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面.它们很难回答"宇宙外面是什么"这类问题.因为,它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间,很难形成"外面"这一概念.
对于蚂蚁必须借助"发达的科技"才能发现的抽象的事实,一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来.因为蜜蜂是三维空间的生物,对于嵌在三维空间的二维曲面是"一目了然"的,也很容易形成球面的概念.蚂蚁凭借自己的"科学技术"得到了同样的结论,却很不形象,是严格数学化的.
由此可见,并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况,聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲,并最终建立起完善的球面几何学,其认识深度并不比蜜蜂差多少.
黎曼几何是一个庞大的几何公理体系,专门用于研究弯曲空间的各种性质.球面几何只是它极小的一个分支.它不仅可用于研究球面,椭圆面,双曲面等二维曲面,还可用于高维弯曲空间的研究.它是广义相对论最重要的数学工具.黎曼在建立黎曼几何时曾预言,真实的宇宙可能是弯曲的,物质的存在就是空间弯曲的原因.这实际上就是广义相对论的核心内容.只是当时黎曼没有像爱因斯坦那样丰富的物理学知识,因此无法建立广义相对论.
