跟着MIT教授一起学AP物理(7)

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1、怎样跟着MIT公开课学习AP物理之七（爱因斯坦的气场超越了银河系）这一讲Lewin教授讲了引力。上一讲我们讲了伽利略的比萨斜塔实验，同时也奠定了爱因斯坦引力理论的基础。是这样的：伽利略用实验证明，从比萨斜塔上扔下来的两个质量完全不同的球，TA们会以同样的加速度下落，爱因斯坦就把自己想象成这两个球中的一个，他马上顿悟：他在下落过程中不会感受到重力，他进一步想象：如果他被关在一个黑屋子里，完全不知道自己在自由下落，那么这个屋子里的一切是会失重的——完全没有引力！爱因斯坦的思想出来了：既然如此，一个加速运动的参考系就应该和存在一个引力场

2、完全等效（因为伽利略实验已经证明：决定加速运动参考系中惯性力大小的惯性质量和决定在引力场中受重力大小的重力质量完全相等），这就是著名的“等效原理”（爱因斯坦自称让他最HAPPY的原理），一个向下自由落体的参考系（或者就是爱因斯坦本人，反正在理想实验中他永远摔不死），正好有一个向上的等效引力场和地球的引力抵消了，所以这个参考系中的任何物体感觉完全失重。这在地球附近是不太容易实现的，我想即使有人愿意从楼上跳下来，配合一下爱因斯坦的HAPPY原理，这HAPPY的时间也太短了，拿命去换不值啊！但在宇宙飞船中，由于有向心加速度和重力加速度抵

3、消，所以失重的现象是每个宇航员都能体验的。Lewin教授可不能放过这么精彩的表现机会，他首先从一米多高的讲台上跳下来，无论如何要当一把想象中的爱因斯坦，然后又把他好朋友YOUNG教授拍的飞机上的失重大片，放了又放，最后，也是最精彩的，他居然求MIT另一位实验大师，给他做了一个能测出瞬间重力的电子秤，真的当做大家面测了一把自由落体中的物体重量，是零，真的是零！说到这，表面上看起来也不是很稀奇，既然几百年前伽利略都知道的事，爱因斯坦是不是在炒冷饭？但接下来爱因斯坦的思想就有些可怕了：想象一个远离任何引力场的加速中的火箭，如果我们在火箭

4、中实验室，垂直于火箭加速方向射一束光，我们能看到什么？非常简单的运动学会告诉我们：只要加速度足够大，那么光在实验室中的路径会向加速度相反的方向弯曲。爱因斯坦马上会说：那么好了，既然加速前进的参考系中等效的存在一个引力场，那么在真实的引力场中，光是不是也会弯曲？这么简单的推理足以让当时所有的物理学家吃惊得下巴都要掉了。但是利用伽利略实验原则，从1919年英国的爱丁顿组织观测队，去测量日蚀中发生的光的偏折算起，以后数十年，无数的精密测量，最后让最苛刻的物理学家也承认：爱因斯坦是对的！光在引力场中会弯曲！当然，爱因斯坦思想的可怕威力绝不

5、会到此为止，他还会问你：“在空间中，什么能代表直线？”我想99%的人会脱口而出：“当然是光线啦！光速不变嘛！”爱因斯坦马上会说：“那好，既然光线能代表空间中的直线，那光线在空间中弯曲了，是不是也代表这个空间本身就是弯曲的呢？”这下我估计好多人连下巴都没得掉了！爱因斯坦就是从这么简单的推理出发，推演出了他整个引力理论,而且是把整个引力论，建构在黎曼几何上-----------一个优美的空间数学理论，在这里，引力场的场强，对应做弯曲空间的曲率。后来大量的宇宙观测证明了爱因斯坦的引力论，比牛顿的引力论在更大的质量空间范围适用。如果说牛顿

6、的气场盖过太阳系的话，爱因斯坦的气场就超越了银河系了。爱因斯坦又打开了一个大门：那就是把物质之间相互作用的物理理论，用优美的空间几何理论去表述。他的继任者是杨振宁，几十年后，杨振宁的时代无疑是量子力学时代L了，在量子力学中，物质量子的存在就不仅仅是经典的时空存在，ta还会有动量空间的存在，内部空间的存在。这么多空间放在一起怎么描述？数学家们早就想好了（其中重要贡献者还包括杨振宁父亲在清华的研究生陈省身），这叫纤维丛，最形象的比喻就是在经典的空间上又长了很多芦苇草（纤维），这样的空间会“弯曲”吗？杨振宁后来发现会的！杨振宁曾经说：本

7、来他从物理的对称性发现了规范场，但当他发现这样的规范场正好对应于纤维丛空间的“联络和曲率”时，“我喜不自胜，得意忘形之状实难用笔墨形容！“（华东师大出版社《杨振宁文集》P212）杨振宁-MILLS的规范场理论，后来被用来描述电磁、弱、强相互作用，这实在是距爱因斯坦建立力的统一理论梦想，迈进了一大步。所以我们有理由相信：如果未来真的发现了力的统一理论的话，ta非常有可能是一个关于空间（当然包括内部空间）的更加优美而全面的几何理论！ 最后我想说一下我自己的学习经历，我从上大学物理系起就是爱因斯坦的坚定粉丝，这么多年来，每当我学习物理到

8、一个阶段，我都会又捧起爱因斯坦的原著，检验一下自己在思想上有没有进步，慢慢的，对于爱因斯坦的思想特征有了一些感悟：那就是，任何物理概念都要建立在”实证“的基础上，从实证出发的物理概念将坚不可摧。比如：建立在光速不变的实验基础上提出的光速不变原理，通