从牛顿定律到爱因斯坦相对论

物理学基础知识丛书从牛顿定律到爱因斯坦相对论（第二版）方励之 褚耀泉 著1987内 容简 介本书可供高中以上文化程度的广大读者阅读。物理学基础知识丛书从牛顿定律到爱因斯坦相对论（第二版）方励之 褚耀泉 著责任编辑 姜淑华出 版北京朝阳门内大街 137号中国科学院印刷厂印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售*1981年 4月第一版开本： 787×1092 1/321987年 2月第二版印张： 4 7/81987年 2月第四次印刷 字数：89,000印数：39,401－44,100统一书号： 13031·3372本社书号： 5131·13—4定价：0.92 元代 序代 序年8月，中国物理学会在庐山召开年会，不少物理学工作者有感于物理学在提高全民族科学文化水平和实现“四化”中的伟大作用，建议中国物理学会与科学出版社合作，编辑出版一套《物理学基础知识丛书》，有计划有系统地普及物理学的基础知识和物理学的新发展。这一倡议当即得到了广泛的响应。为此，中国物理学会理事会进行了认真讨论，积极热情地支持了这一建议，于是，就在风景绮丽的庐山，在中国物理学会和科学出版社的共同主持下，正式成立了本丛书的编委会，讨论和制定了丛书的编辑方针和选题计划，正式开始了丛书的编辑出版工作。物理学研究物质的运动规律，物质的结构及其相互作用，它是许多科学技术的基础。从本世纪开始，物理学经历了极其深刻的革命，从宏观发展到微观，从低速发展到高速，由此诞生了量子物理学和相对论，并在许多科学技术领域引起了深刻的变革。本世纪以来，物理学在认识和改造物质世界方面不断取得伟大成就，不断揭开物质世界的奥秘。原子能的利用，使人类掌握了新的能源；半导体科学技术的发展，导致了计算技术和自动控制系统的革命；激光的出现焕发了经典光学的青春；凝聚态物理学的发展，使人们不断创造出许多性·i·能大大提高的材料……；因此，向广大读者宣传物理学的基础知识以及物理学的新发展，乃是提高全民族科学文化水平和实现“四化”的需要。我们编辑出版本丛书的目的，就是试图在这方面贡献一份力量。能大大提高的材料……；因此，向广大读者宣传物理学的基础知识以及物理学的新发展，乃是提高全民族科学文化水平和实现“四化”的需要。我们编辑出版本丛书的目的，就是试图在这方面贡献一份力量。在编辑出版丛书工作中，我们得到了广大物理学工作者的热情支持和鼓励，还得到老一辈物理学家严济慈、钱临照、陆学善等同志的热情赞助和关怀。美国加州大学热斐尔学院院长吴家玮教授应邀积极参加编委会工作，并约请了美籍学者为丛书撰稿。我们一并在此致以谢意。《物理学基础知识丛书》编委会1980年 12月于北京·ii·前 言前 言当我们回顾这几位划时代的科学家的时候，就会发现，虽然他们生活在极为不同的时代，从经典力学到现代物理学也已经发生了巨大变化，但是，在这些人身上，我们却可以看到许多共同的特征。首先，他们都是不受成见或传统思想所束缚的探索者。他们的科学研究工作，往往是从那些被认为早有定论、不容怀疑的地方打开缺口的。他们研究的问题，就是我们今天看来，也会觉得是“太”基本了，“太”抽象了。比如，什么是时间？什么是空间？什么是相对？什么是绝对？什么是天体运动的规律？什么是宇宙的起源？等等。这些问题对于人们日常关心的现实世界来说，似乎是另一个世界的事。然而，事实证明，由于在这些“学院式”问题上的进展所带来的技术进步，是不能用任何其他东西代替得了的。其次，他们都坚持自然科学的研究方法。尽管他们关心的是抽象的问题，但是他们并不进行思辨式的空谈。相反，他·iii·们是采用理论和物理实验或天文观测相对比的方法来考查每一个概念、每一种假说，由此来判断理论的是非成败。们是采用理论和物理实验或天文观测相对比的方法来考查每一个概念、每一种假说，由此来判断理论的是非成败。(1)他还愤慨于那种慑于强权而惧谈科学精神的态度，他说：“试问，要是乔尔丹诺·布鲁诺、斯宾诺莎、伏尔泰和洪保德也都这样想。这样行事，我们会在哪里呢？”(2)正因此，他们和他们的理论往往不见容于当时的统治者。伽利略遭到宗教法庭的迫害，爱因斯坦遭到德国法西斯的迫害。可笑的是，甚至在七十年代，不学无术的“四人帮”大搞法西斯文化专制主义时期，相对论还在中国遭到了围剿！尽管这些历史，都已像恶梦一样地过去了，但是，今天回顾一下，不仅对了解物理学的进展是有益的，甚至是必需的。因为，如果我们只了解学术的细节，而不掌握科学的精神和科学之成为真正科学的灵魂，那我们就不可能真正把科学移植过来，让她生根、开花、结果。这本小册子的目的，是打算介绍从牛顿定律到爱因斯坦相对论的一些主要发展线索。由于篇幅有限，加之不用（或仅少量用）数学工具，所以，我们仅仅想把最基本的思想和概念(1)赵中立、许良英编译：《纪念爱因斯坦译文集》，上海科技出版社，1979年版，第61页。(2)同上，第385页。·iv·交待清楚。也许这也是主观的愿望，实际上并没有达到，或没有完全达到。很希望读者批评指正。交待清楚。也许这也是主观的愿望，实际上并没有达到，或没有完全达到。很希望读者批评指正。方励之1979.3.13于罗马·v·目 录目 录从亚里士多德到牛顿 ……………………………… 1时空观——亚里士多德的宇宙中心——牛顿时空观中的相对与绝对——马赫的批判第二章 时间、空间和运动 …………………………………10时间的测量——长度的测量——事件和世界线——运动的相对性——速度的合成第三章 从经典的速度合成到光速不变 ……………………19光学现象中的疑难——超新星爆发和光速——以太假说——麦克尔逊 -莫雷实验——光速是不变的——新的速度合成律——光速是极限——超光速问题—— c的测量第四章 从伽利略相对性原理到狭义相对论 ………………33萨尔维阿蒂的大船——狭义相对论的两条原理——“同时”是相时的——谁先动手——因果关系第五章 钟和尺的相对与绝对 ………………………………43牛顿时空观中的时和空——运动钟的变慢—— μ子的寿命——双生子佯谬——动尺的缩短——汤普金斯先生的错误——洛仑兹变换第六章 动力学问题 …………………………………………56·vii·亚里士多德的力学——动者恒动——牛顿的力学规律——牛顿力学与光速极限的矛盾——惯性质量随速度的变化——懒惰＝活泼——新时代的一块奠基石亚里士多德的力学——动者恒动——牛顿的力学规律——牛顿力学与光速极限的矛盾——惯性质量随速度的变化——懒惰＝活泼——新时代的一块奠基石…………………………65比萨斜塔上的实验——万有引力——水星近日点的进动——引力质量的普适性——引力的本性就是惯性质量“没有”引力——局部惯性系——什么是引力？——爱因斯坦的引力场方程第八章 从牛顿到后牛顿 ……………………………………79后牛顿修正——行星近日点的进动 ——自转轴的进动——引力红移——光线弯曲——雷达回波的延迟第九章 从经典的引力坍缩到黑洞 …………………………90再谈强场条件——引力坍缩——强场天体在何处？——脉冲星是一种致密天体——中子星的结构——黑洞——黑洞是不毛的——临界质量——X射线双星第十章 引力波的证实 …………………………………… 106爱因斯坦的预言——宇宙中的引力波源——韦伯的实验——双星引力辐射阻尼——PSR1913＋16——一个理想的相对论天空实验室——引力辐射阻尼的证实·viii·第十一章 从牛顿宇宙到宇宙的膨胀 第十一章 从牛顿宇宙到宇宙的膨胀从有限有边到无限无边——牛顿无限宇宙的困难——“白痴”的问题——有限无边的宇宙——宇宙的膨胀——大爆炸宇宙学——天体的年龄——微波背景辐射——氦的丰度第十二章 爱因斯坦之后 ………………………………… 134对统一的追求——大统一和宇宙的极早期——引力和量子论——黑洞的发射——超统一和奇性·ix·第一章从亚里士多德到牛顿第一章从亚里士多德到牛顿有一些物理概念是很平凡的。但平凡的概念却往往不是简单的。比如，“今天早上八点钟我在家里开始看书”，这是一句很普通的话。然而，其中已经涉及两个最基本的概念。“今天早上八点钟”，是表示时间；“在家里”，是地点，也就是空间位置。时间和空间可以说是最常用、最平凡的概念了。可是，若问：究竟什么是时间，什么是空间？却又不容易找到恰当的答案。是的，这是两个很难回答的问题。尽管有不少人都曾给时空下过这样或那样的定义。不过，很少是能令人十分满意的。在讨论物理学问题的时候，一种正确的方法可能并不是从概念的“严格”定义出发，而是从分析各种概念之间的具体关系入手。因此，对于时间和空间这两个基本概念来说，重要的问题并不在于它们的“纯粹”定义，而是它们之间的关系，以及它们与物质运动的种种联系。还是用上面那句话作为例子。“早上八点”这个时间是以你手上的表或家里的钟作为标准的。更正确地说，是采用北·1·京时间。显然，这个表述是相对的，如果东京时间，它就是九点，而不是八点。这就是时间表述上的一种相对性，也就是时间的一种属性。京时间。显然，这个表述是相对的，如果东京时间，它就是九点，而不是八点。这就是时间表述上的一种相对性，也就是时间的一种属性。所谓时空观，就是有关时间和空间的物理性质的认识。时空观同自然科学的发展是密切相关的。科学上的重大变革往往伴随着新时空观的产生。甚至，在一定意义下可以反过来说，时空观的变革才是科学上大变革的基本标志。因此，如果我们要想了解在人类的认识史上从亚里士多德到牛顿，又从牛顿到爱因斯坦几次重大的进展，我们首先就应当了解他们各自的时空观。·2·亚里士多德的宇宙中心亚里士多德的宇宙中心时“习惯”的想法会认为：那些居住在我们的对蹠点上的人不·3·是早就“掉下”去了吗？可见，树立球形的地球观念需要克服相当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以说，亚里士多德的时空观是把“上”和“下”这两个方向相对化了。我们看对蹠点的人在“下”，对蹠点的人看我们也是在“下”。也就是空间各个方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝对优越的性质。这就是空间方向上的相对性，提出这个观念，是人类走向科学时空观的重要一步。是早就“掉下”去了吗？可见，树立球形的地球观念需要克服相当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以说，亚里士多德的时空观是把“上”和“下”这两个方向相对化了。我们看对蹠点的人在“下”，对蹠点的人看我们也是在“下”。也就是空间各个方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝对优越的性质。这就是空间方向上的相对性，提出这个观念，是人类走向科学时空观的重要一步。·4·牛顿时空观中的相对与绝对牛顿时空观中的相对与绝对以哥白尼—伽利略—牛顿为代表的新科学，在时空观上的特征就是否定了亚里士多德体系中空间位置的绝对意义。哥白尼否定了地球中心是整个宇宙中心这种绝对的意义。伽利略直接了当地提出了相对性原理（在第四章中还要加以详细讨论）。牛顿则打破了“月上”和“月下”的界限，发现苹果落地和月亮绕地球运行是由同一个原因引起的，而并不是由于它们要回到自己的“天然位置”上去。因而，在牛顿的力学方程中没有宇宙中心的地位，任何时空点都是平等的。相对于任何时空点来计算，物理规律都是一样的。这就是新时空观中的新相对性。然而，路总是一步一步走的，牛顿尽管站在了亚里士多德的肩上。但是在他的力学中仍然引入了绝对静止的空间和绝对不变的时间这两个概念。在《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿写道：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”总之，在牛顿的时空观中，空间、时间和“外在的情况”这·5·三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚里士多德式的绝对。三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚里士多德式的绝对。出26×20×10等等尺寸，之所以能这样标出，就是以容积是箱子的不受“外在的情况”影响的本性这一点为依据的。进一步我们设想箱子无限地扩大，这就得到了一个与任何特殊的物质无关的、绝对的空间。它就是牛顿的绝对空间。牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢？牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验。若有一桶水，让它做旋转运动。开始时桶壁旋转而水不运动，水与桶壁之间虽有相对运动，但水面却和静止时是一样的，是一个平面。以后水逐渐被桶壁带动并且和桶壁一起旋转，此时虽然水与桶壁之间并没有相对运动，但水面呈凹形，桶边的水面略高，中间略低。因此，即使在水与桶没有相对运动的情况下。我们也可以判断出水桶体系究竟有没有相对于绝对空间的转动。这个判据是：若水面平坦，·6·则无绝对运动，若水面呈凹形，则有绝对的转动。这就是牛顿提出的判别法。则无绝对运动，若水面呈凹形，则有绝对的转动。这就是牛顿提出的判别法。马赫的批判自从牛顿提出了绝对空间观念之后，就引起了一些科学