针对这一话题,不禁引发我们的深思,是否狭义相对论确实构成了力学的最终总结,又或是否存在着进一步的推广需求与可能。如我们所探讨的那样,在各种物理模型中,惯性参考系的作用总是占有着显著的先驱地位,我们继而探索的便是一个议题——能否将相对论拓展至非惯性参考系?
提至爱因斯坦所著的广义相对论(图1),我尝试举例阐释之。考虑一位决心穿越尼亚加拉大瀑布的学生,她被置于一个封闭的木箱内。当她自由下落时,她能感受到的并非是地板的碰撞,而是自身与木箱的稳定悬浮状态。这是因为她与木箱在自由下落时,所体验到的加速度恒定在9.8m/。
从她的视角出发,却有着另一番解释:她并未触碰到地板,是因为她与地球之间的引力相互作用突然中断。只要她继续留在箱内保持自由落体状态,她便无法判断自己是否真的处于自由落体之中,或是引力相互作用已消失。
同样的情况也发生在环绕地球的轨道空间站中。人们难以判断空间站内的物体是否失重。如果他们没有观察到空间站外部的景象,他们将无法确定重力是否被断开,或是空间站及其所有设备是否正在朝向地心加速降落。
如图所示(图2),对于宇宙飞船的情境,我们提出了类似的解释:在没有任何外部信息的情况下,船上的宇航员可能难以判断自己是处于未执行自由落体的状态、相对惯性系在作加速运动,还是在地球表面静止。
这样的考虑构建了爱因斯坦广义相对论的核心基础。如果我们不能通过实验的方式区分特定位置的均匀引力场与均匀加速参考系之间的差异,那么这两者之间便不存在真正的界限。
深入探讨这一概念,我们可以根据坐标系统的特性尝试描绘任何形式的引力场。这个方法需要我们对时空概念进行重新思考和重构,有时候这种变化比我们所熟悉的狭义相对论更加广泛和深入。
在广义相对论中,空间几何结构会受到物质存在的影响(图3)。这表示了时空与物质之间的紧密联系。
广义相对论已经通过了几个实验的验证,包括爱因斯坦提出的三大实验建议:水星近日点进动(图4)、远恒星光线经过太阳附近的弯曲(图5)以及引力红移现象(图6)。
虽然广义相对论看起来像是源于一种外来智慧的认识,然而其在我们的实际生活中发挥着重要的功能。举例来说,该理论在GPS定位系统中起着至关重要的作用。通过精准测量信号传播的时间延迟并计算接收机的位置,GPS得以实现几米内的定位精度(图7)。
GPS系统的核心是24颗以上精确运行的人造卫星。每颗卫星都定时发射无线电信号,由GPS接收机同步检测多个卫星信号并计算接收机位置。在此过程中为了确保时间精确无误需对信号进行多重的修正校正处理包含由于狭义及广义相对论产生的修正。这些看似微小的相对论引起的调整对确保GPS系统的超高精度却至关重要。
由此可鉴,广义相对论虽可能看似抽象与远离日常经验之外的知识领域却无时无刻不在默默影响和支撑着我们的生活。以其深沉且重要的物理逻辑织成现代科学大厦的关键基石。