从牛顿定律到爱因斯坦相对论 第 5 部分阅读

    　　发生超新星爆发的时候，要释放出大量的能量，常常会

　　使整个双星体系解体，所以，在双星中有致密星的情况较少。

　　形成双致密星要经过两次的超新星爆发，经过两次爆发居然

　　还不发生解体，自然是非常稀罕的事。所以双致密星体系是

　　种很稀有的品种。

　　不过从

　　r191316的性质来看，那颗看不到的星，大

　　概也是颗致密星。因为，r191316不发射

　　射线，所

　　113

　　114

　　以它不可能处于第四阶段。此外，

　　r191316的双星距离

　　很小，也不可能是处在第三阶段的双星即另颗是非致

　　密星。第及第二阶段根本不含任何致密星，所以更不可能

　　是

　　r191316的现状。这样就只留下了种可能，即

　　r191316是个双致密星体系。

　　r191316 是当时知道的唯双致密星体系。它也

　　是目前找到的唯适用于检验相对论引力波理论的天空实验

　　室。

　　引力辐射阻尼的证实

　　按照广义相对论，双致密星体系周期变短主要是由引力

　　辐射阻尼引起的。因此，只要我们能观测到

　　r191316

　　存在这种周期变短现象，就能对理论的成败给出不含糊的证

　　据。

　　泰勒等人对

　　r191316进行了四年多的监视性观

　　测。测量次数超过千次。使许多观测参数的精度达到百亿

　　分之几。他们的确发现了这颗双星的周期在稳定地变短。图

　　105是它的转动位相与时间的关系图。如果没有周期变短，

　　则应是条水平线。但实际测量结果由图中的些圆点表

　　示，图中的曲线则是按照引力辐射阻尼理论计算出来的结果。

　　理论与观测之间的符合是目了然的。

　　引力辐射阻尼理论的定量证实，意义十分重大。它把引

　　力物理推进了大步。再次令人信服地证明了广义相对论

　　115

　　的正确性。

　　这个成功象中子星的发现样，也是多方面工作的巧妙

　　结合。在理论工作上它涉及广义相对论，双星演化理论各种

　　周期变化的计算。而

　　的正确性。

　　这个成功象中子星的发现样，也是多方面工作的巧妙

　　结合。在理论工作上它涉及广义相对论，双星演化理论各种

　　周期变化的计算。而

　　径

　　300米射电望

　　远镜，用到了精密的

　　守时技术以及

　　射线

　　和光学的观测。

　　如果说十九世纪

　　牛顿引力理论最出色

　　的观测证实就是海王星的发现。那么，二十世纪相对论引力

　　理论最出色的观测证实可能就是这次引力辐射阻尼的监测

　　了。

　　图

　　105 r191316的转动

　　位相与时间的关系

　　116

　　第十章从牛顿宇宙

　　到宇宙的膨胀

　　第十章从牛顿宇宙

　　到宇宙的膨胀

　　这章我们转到最后个也是最大的个物理问题，即

　　宇宙学。在从经典力学到相对论的发展中，人们对宇宙物理

　　结构的认识有些什么变化呢

　　在伽利略牛顿之前，传统的宇宙结构可以由图

　　111来

　　表示。它是个有限有边的世界。宇宙的最外层是由恒星天

　　构成。恒星天是宇宙的边界。在它之外，就没有空间了。在哥白

　　尼的太阳中心说中，仍然保持着有限有边的结构图。

　　在牛顿之后，开始普遍采用了无限无边的观点。即认为

　　宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。宇宙空间是个三

　　维欧几里德几何无限空间，即在上下，左右，前后这些方向上，

　　都可以直走下去延伸到无限远。

　　在这牛顿式的无限大的箱子中，到处布满着天体，这些天

　　体也有无限多。无论我们向哪个方向走去，总会不断地看到

　　这些天体。

　　总之，宇宙空间的无限性同牛顿理论的普适性样，在经

　　117

　　图

　　111托勒密的宇宙结构图

　　118

　　典物理学中被认为是已经公认的事。

　　典物理学中被认为是已经公认的事。

　　但是，每次科学上的重要成功，由于它的巨大声誉往往

　　会使后来的人不去认真思索或者不愿认真思索由这些成功所

　　带来的新东西中，哪些是真正被证明了的真理。哪些还只

　　是设想或假设。其实，宇宙空间是三维无限的欧几里德空间

　　以及牛顿理论可以在宇宙学上适用，就是属于后类的两个

　　观念。尽管人们已经习惯于接受它们，然而它们却不是属于

　　已经弄明白了的。

　　牛顿无限宇宙的困难

　　爱因斯坦在发展相对论宇宙学的时候，第步工作就是

　　指出牛顿的无限宇宙观念中的矛盾和不自洽。

　　牛顿力学在讨论个有限力学体系的运动时，总是假定

　　可以选取个参考系，使引力势

　　在无限远的地方成为常数。

　　这个条件对于解决局部天体的运动问题，有时是相当关键的。

　　但是，如果接受牛顿的无限宇宙图象，认为物质均匀布满在整

　　个无限的空间之中，那么，根据牛顿力学又会得到无限远处引

　　力势

　　Φ不可能为常数的结论，这就是个矛盾。如果，为了要

　　保证无限远处引力势

　　为常数，我们暂且放弃物质均匀布满

　　119

　　在整个无限空间内的假设，并认为物质主要集中在我们周围

　　有限的范围，那么无限远处的

　　虽然是常数，但物质的宇宙却

　　仍然是有限的。

　　所以，牛顿力学在原则上不能用来描写更谈不上精确

　　无限宇宙这物理体系的动力学。要么应当修改牛顿的理

　　论，要么应当修改无限空间的观念，或者两者都要加以修改。

　　这就是爱因斯坦在宇宙学面前提出的“简单”而又根本的问

　　题。

　　“白痴”的问题

　　爱因斯坦提出的问题究竟有没有意义呢

　　有种看法，认为宇宙是那样至大无边，那样复杂，探讨

　　宇宙作为个物理体系的动力学，恐怕是不会得到有意义的

　　结果的

　　然而，这种“解决”办法不能使爱因斯坦感到丝毫的满意。

　　他写道：“要我在这个原则性任务上放弃那么多，我是感到沉

　　重的。除非切为求满意的理解所作的努力都被证明是徒劳

　　无益时，我才会下那种决心”

　　1。事实上爱因斯坦不但从来没

　　有下那种决心，而且总是抱定了相反的态度。他总是坚信宇

　　宙必定有它普遍的有效性。他总是怀着“赞赏和敬仰的感情，

　　但这种感情的对象不是人，而是我们出生于其中的自然界的

　　1爱因斯坦文集，第二卷，第

　　357页。

　　120

　　神秘的和谐”神秘的和谐”。

　　当爱因斯坦思考并企图解决这个问题的时候，他曾经给

　　德西特写过封信，说道：“宇宙究竟是无限伸展的呢，还是

　　有限封闭的呢海涅在首诗中曾给出过个答案：个

　　白痴才期望有个回答

　　”。的确，有许多令物理学家和天文

　　学家醉心的问题，就是让最富于幻想力的诗人看来，也觉得是

　　近乎荒诞的事。似乎只有白痴才愿意在这些问题上枉费精

　　力。其实，这是不对的，在自然科学面前，可以说没有个有

　　关自然界的问题是不值得去研究的。如今世界上太多的可能

　　不是“白痴”式的问题，而却是白痴式的答案。所谓“没有意

　　义”者本身，往往就是这样类的答案。

　　爱因斯坦觉得有必要来研究这个问题，还有另个重要

　　原因。这就是，宇宙学问题是当时唯知道的强引力场问题。

　　如果按牛顿的经典观点，天体大体均匀地分布在空间里，密度

　　是

　　那么，在直径为

　　r的球体中总质量

　　约为

　　r3，因此

　　它的

　　r 2

　　2 ..2r

　　r

　　可见，当

　　r很大时，这个值必定达到

　　1。所以，宇宙学问题在

　　原则上是不能用牛顿理论来处理的。在这个问题上，广义相

　　对论不是对牛顿理论的个小修正象在后牛顿问题中，而

　　将带来根本性的不同。

　　1爱因斯坦文集，第卷，第

　　277页。

　　121

　　有限无边的宇宙

　　有限无边的宇宙

　　爱因斯坦给出的第个宇宙模型，既不是亚里士多德的

　　有限有边体系，也不是牛顿的无限无边体系，而是个有限无

　　边的体系。所谓有限，指的是空间体积有限。所谓无边，指的

　　是这个三维空间并不是个更大的三维空间中的部分，它

　　已经包括了全部空间。

　　实际上，在宇宙学的历史上，有限无边的概念并不是在爱

　　因斯坦的宇宙模型中才第次遇到的。在第章中已经讲

　　过，亚里士多德认为大地并不是平坦无边的，而是个球形。

　　实质上，这就是用有限无边的球面结构代替了无限无边的平

　　面结构。球面就是个二维的有限无边的体系。沿着球面

　　走，是总也遇不到边的。但是，球面的总面积却是有限的。

　　只要把亚里士多德的二维有限无边概念推广到三维，就

　　可以得到爱因斯坦的三维有限无边体系。这两个概念的确有

　　许多方面可以进行类比。例如，球面是个二维的弯曲面，有

　　限无边的三维空间也是个弯曲空间。

　　所谓“弯曲”，实质的含义就是偏离欧几里得儿何。例如，

　　对于球面二维来说，我们做如下的测量。如图

　　112，从

　　点出发沿着大圆走到

　　b。到

　　b的长度叫做

　　r。然后以

　　为中

　　122

　　心，以

　　r为半径在球面上做圆维。这个圆的长度为

　　在欧几里得几何中

　　r

　　2π

　　但是，在球面的情况

　　r