你知道吗--现代科学中的100个问题-第10部分

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　　　　不过，我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式，来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”，各种物体就会走直线从这个空间中通过，如果空间是“弯曲的”，各种物体就会走出弯曲的路线来。

　　　　一个具有确定质量和速度的物体，如果在离开其他质量都很远的地方运动，那么，它的路径真的可以说是一条直线。而当它走近另一个质量的时候，它的路径就会变得越来越弯曲，显然，是质量把空间弯曲了。质量越大，离质量越近，空间弯曲的曲率就越大。

　　　　把万有引力看作是一个力，看来要比用空间几何形态去解释它方便得多，也自然得多。但是，如果在考虑光的行进时，情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点，光是不受重力影响的，因为它没有质量。然而，当光在弯曲空间里穿过时，它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来，它在太阳这个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了。

　　　　１９１９年，爱因斯坦的这一理论（发表于三年之前）在一次日蚀期间受到了检验，人们把太阳位于空间某处时靠近太阳的某些恒星的位置，与太阳不在此处时这些恒星的位置进行了比较。结果，爱因斯坦的理论站住脚了。用弯曲空间来讨论万有引力，看来要比用力学术语更为精确。

　　　　不过，我们还应该提一下，１９６７年，人们对太阳的形状所进行的精密测量，发现爱因斯坦的引力理论出了问题，今后将会发生些什么情况？还得等着瞧。
第43节
　　　　每一种亚原子粒子都会产生下列四种不同作用中的一种或几种。这四种作用是：引力作用、电磁作用、弱相互作用和强相互作用。每一种作用都从它的发源处散播出来，成为一种“场”，而且在理论上是弥散在整个宇宙之中的。大量粒子所产生的同一种场可以叠加起来，产生极其强大的合成场。因此，尽管引力场是这四种场里最弱的一种，太阳——由大量粒子构成的物体——的引力场却是很强大的。

　　　　位于这样一种场中的两个粒子将被场所推动，或者互相靠近，或者互相离开，这要看粒子与场的本性是怎样的，粒子的加速度则取决于这两个粒子之间的距离。这种加速度往往又被解释成是“力”所引起的，所以我们就要谈到“力场”。从这种意义上说，场的确是存在的。％米％花％书％库％ ；http：//www。7mihua。com

　　　　不过，我们所知道的力场总是有物质作为它们的起源；一旦物质没有了，力场也不复存在了。但在科学幻想小说中，总有某些无需物质存在的强大力场被想象了出来。因此就会出现那么一段真空，它对粒子和辐射能起到阻拦作用，正好象这段真空竟是一块两米厚的钢块一样。真空里会出现各种原子间的作用力，但却根本不存在产生这些力的原子。这种“无物质力场”作为一种科学幻想的手法倒是颇为方便的，但是，老天在上，根据我们今天所掌握的科学知识来看，这种手段是太缺乏依据了。

　　　　“超空间”是科学幻想作品中的又一个挺方便的手法，这是作者用来绕过光速这个障碍的。

　　　　为了弄清楚这是怎么一回事，设想有平摊开来的很大的一张纸，纸上面有相距六米的两个点，再设想有一只行动极缓慢的蜗牛，它一小时只能走一米，显然，它要用六个小时才能从一个点走到另一个点。

　　　　不过，如果我们把这个两维的纸片在第三个维上弯曲一下，就会使这两个点靠近起来。如果这时这两个点只相隔一毫米，而且不知怎么一来，那只蜗牛也能跨越过这两个点之间的空间，那么，只消几秒钟，它就能从一个点到达另一个点了。

　　　　现在可以来类比一下：如果有两颗恒星彼此相距五十光年。那么，一艘飞船以最大的速度——光速——飞行，从一颗恒星飞到另一颗恒星，也得花五十年的时间（从这两颗恒星中的任意一颗上来看），这会产生许多麻烦事来。因此，科学幻想小说家想出一个使情节简化的法子：他们假设具有三维结构的空间能够在第四个空间维上弯一下，这一来，两个恒星间就只有一个很小的四维距离了，于是，飞船就会越过这个小间隙，只用很短的一点时间，就从一颗恒星跑到了另一颗恒星。

　　　　数学家经常说起与３维物体类似的四维物体，只是在前面加了一个“超”字。一个表面距中心在四维上等远的物体叫做“超球”。同样，还有所谓“超正四面体”、“超立方体”和“超椭球”。使用这套表达方法，我们就能把两颗恒星间的四维距离叫做“超空间”。

　　　　不过，无论这种超空间对科学幻想小说家是多么方便，据我们所知，科学现实中并不存在这个东西，它只是一种数学上的抽象而已。
第44节
　　　　强度随距离平方而减小的场有两种：电磁场和引力场。这种减小是比较缓慢的，因此，即使在很远的地方，也能发现这两种场的存在。地球离开太阳有一亿五千万公里远，但仍被太阳的引力场紧紧地抓住不放。

　　　　但是，在这两种场当中，引力场又比电磁场弱得多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强四百亿亿亿亿亿倍。

　　　　当然，引力场似乎是挺强大的，每一次我们从高处跌落下来时，都会痛苦地体验到这一点。但这只是地球太大了的缘故。地球的每个小块都对引力场有所贡献，结果，总的引力场就变得很可观了。

　　　　然而，如果我们拿出一亿个电子（这个数量是太微不足道了，如果把它们集中到一点上，那么，即使用显微镜也无法看到它们），并让它们散布在地球那么大的空间里。这时，这些电子所产生的电磁场，就会和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大。

　　　　为什么我们对电磁场的感觉不象对引力场那样明显呢？

　　　　这是由于它们有一点不同的缘故，电荷有两种，分别叫做正电荷与负电荷，因此，电磁场既可产生吸引作用（在正电荷与负电荷之间），也可产生排斥作用（在两个正电荷或两个负电荷之间）。事实上，如果在象地球那么大的体积内除了一亿个电子之外别无他物的话，这些电子就会互相排斥，远远地散布开来。

　　　　由于电磁吸引力和排斥力的作用，会使正电荷与负电荷均匀地混和起来，这样，两种电荷的效应就趋于互相抵消。至于电荷数目的极其微小的差别，则是有可能存在的。我们所研究的正是这种多了一点或少了一点某种电荷时的电磁场。

　　　　然而，引力场看来仅仅产生吸引力。每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体，而当质量增加时，引力场也会增大，它们是不会抵消的。

　　　　如果某个具有质量的物体，能够排斥另一个具有质量的物体——其强度和排斥方式正好与一般情况下它们互相吸引时一样，那么，我们就得到了“反引力”，或叫“负引力”。

　　　　人们还从未发现这种引力排斥作用。不过，这很可能是由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故。

　　　　世界上存在着一类“反粒子”，它们在各方面都与普通的粒子相同，只是它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如，如果某一种粒子具有负电荷：相应的反粒子就会有正电荷。也许，反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会象两个普通粒子一样地以引力互相吸引，但是，一个反粒子却会排斥一个普通粒子。

　　　　麻烦的是，引力场是太微弱了，只有在相当大的质量下，才能发现引力场，而单个粒子或反粒子的引力场，则是无法发现的。我们能够得到普通粒子构成的大质量，但是，迄今仍未能把足够多的反粒子搜罗到一起。而且，时至今日，也没有哪个人能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来。
第45节
　　　　关于这个问题，有另外一个比较长，然而也比较明白的提法。这就是：假若太阳突然不复存在，并且消失得无影无踪的话，地球要在多久以后才不再受到太阳引力场的吸引呢？

　　　　还可以提出一个类似的问题：当太阳消失以后，地球什么时候才不复得到它的光？

　　　　对于第二个问题，答案是大家熟知的。我们都知道，太阳离开地球有一亿五千万公里。我们还知道，光在真空中以每秒３００，０００公里的速度传播。太阳消失前的最后一束光线在离开太阳后，要用８．３分钟的时间才到达地球。换句话说，我们将在太阳消失８．３分钟后才会知道这件事。

　　　　这第二个问题之所以容易回答，是因为我们有好多种测量光速的方法。由于人们能够察觉自遥远星体射来的微弱光线的变化，也由于人们自己能发射出强大的光束，这些测量方法就成了切实可行的事情。。xjqi。

　　　　在与引力场打交道时，我们就没有这些有利条件了。研究微弱的引力场的微小变化是十分困难的，而且，我们也无法在地球上产生强大的引力作用，让它们传播很远的距离。

　　　　因此，我们只好局限于理论上进行探讨了。目前，已知宇宙间有四种相互作用：（１）强相互作用；（２）弱相互作用；（３）电磁相互作用；（４）引力相互作用。前两种是短程作用，随距离的增大而迅速减小，到了超过原子核直径的地方，它们已经微弱得可以忽略不计了。电磁作用和万有引力作用是远程的，它们反比于距离的平方而减弱。这就是说，即使是在天文距离上，也能感觉到这两种作用。

　　　　物理学家相信，两个物体间的任何一种相互作用都是通过交换亚原子粒子来实现的。所交换的粒子质量越大，相应的作用范围就越小。例如，强相互作用是由于交换质量比电子大２７０倍的π介子而产生的，弱相互作用是由于交换质量更大的Ｗ粒子而产生的（顺便说一下，这个粒子还未被发现）。

　　　　如果所交换的粒子根本就没有质量，那么，相应的作用范围就是无限大的，这正是电磁相互作用的情况。这时所交换的粒子是没有质量的光子。这样一束没有质量的光子就是一束光线，或一束辐射。引力相互作用也像电磁作用一样是远程的，因此，它也应该交换一种没有质量的粒子——人们称之为“引力子”。

　　　　而且，物理学家有十分充足的理由假设，在真空中，没有质量的粒子只能以光速运动。这就是说，速度约为每秒３００，０００公里，既不能大，也不会小。

　　　　如果是这样的话，引力子就是以光子的速度前进的。这就意味着，如果太阳消失的话，它所放出的最后的引力子将与最后的光子同时抵达地球。在我们最后看见太阳的一瞬间，也同时失掉了它的吸引力。

　　　　换句话说，引力是以光速传播的。
第46节
　　　　在十九世纪中期，人们就已经知道了四种能越过真空发生作用的现象。它们是：（１）引力；（２）光；（３）电吸引和电排斥；（４）磁吸引和磁排斥。

　　　　乍一看来，这四种现象彼此之间似乎根本无关，似乎没有什么必然联系。然而，在１８６４年到１８７３年这段期间内，苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与磁的现象。他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——麦克斯韦方程组，它们既可以用来描述电现象，又可以用来描述磁现象，这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现象，就必不可免地要发生某种确定的磁现象，反过来也是这样。换句话说，我们可以提出一种叫做“电磁场”的提法。这种电磁场存在于真空中，并在接触到空间中的一个物体时，就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体。∨米∨花∨书∨库∨ ；__

　　　　不仅如此，麦克斯韦还证明，如果设法使电磁场以规则的方式发生振动，它就会从这个振动中心向各个方向送出一种辐射，辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种“电磁辐射”。麦克斯韦还预言存在着其他形式的光，不过它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后，这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个“电磁波谱”。

　　　　因此，本节开始时所提到的四种现象中，有三种（电、磁、光）已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑到。这样，我们就还有：（１）电磁场；（２）引力场。它们看起来似乎是两种无关的场。

　　　　然而，物理学家认为，如果只存在一种场（这就是“统一场”），事情就会简单得多，因此，他们一直在寻找一种既能描述电磁效应，又能描述引力效应的理论，以便能够用一种场的存在去描述另一种场存在的本性。

　　　　不过，现在看来，即使发现了这种能把电磁效应和引力效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统一场：自１９３５年以来，又发现了两种新的场。这两种场都只对亚原子粒子才有影响，而且只在不大于原子核直径的距离内才起作用，它们就是“强相互作用”和“弱相互作用”。

　　　　真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才行。
第47节
　　　　牛顿在１７世纪８０年代首次总结出了物体的运动定律。根据这些定律，不同的运动可以按照简单的算术法则相加起来。假设有一列火车以每小时２０公里的速度从你身边驶过，而车上又有个孩子以每小时２０公里的速度向列车行进方向抛掷一只小球。在和列车一起前进的这个孩子看来，小球的速度是每小时２０公里。而在你看来，火车的运动要和小球的运动加在一起，结果，小球就以每小时４０公里的速度运动了。

　　　　所以，你能够看出，不能单单就小球来确定它的速度。速度是相对于某个特定观察者而言的。任何一种试图解释速度（及有关的其它现象）在不同观察者看来的变化情况的运动理论，都是一种“相对论”。

　　　　爱因斯坦的与众不同的相对论源于这样一件事实：在火车上扔小球的这种做法，似乎对于光就不再适用了。光是能够顺着或逆着地球的运动方向运动的。在前一种情况下，它似乎会传播得比后一种情况下快。这正象飞机在顺风飞行时相对于地面的速度要比逆风飞行时高一些一样。然而，对光速所进行的最精密的测量表明，无论发光的光源如何运动，光速永远是不变的。

　　　　因此，爱因斯坦宣称：假设光在真空里的速度已经测得，那么，它将永远保持这个速度不变（每秒３０万公里），在任何情况下都是如此。对于这一设想，宇宙间的各种定律相应地又该怎样安排呢？

　　　　爱因斯坦发现，为了保证光速是一个恒量，人们必须接受许许多多出乎意料的事情。

　　　　他发现，随着物体运动速度的增加，物体在运动方向上会变得越来越短，直到在达到光速时，长度变到零为止；与此同时，物体的质量会变得越来越大，在达到光速时，质量会变为无穷大。他还发现，当物体的运动速度越来越小时，在运动物体上时间流逝的速度也会不断减小，而在达到光速时，时间就会完全停止。他又发现