学习之旅 · 第 2 阶段

为什么万物下落一样快?

没有空气时,羽毛和锤子下落得一样快。可这是为什么?爱因斯坦的回答彻底改变了我们对引力的认识。一共三站:每一站你都先给出自己的判断,再在实验中验证。

第 1 站,共 3 站

没有窗的电梯

1907 年,爱因斯坦还在伯尔尼专利局工作。他忽然想到:自由下落的人感觉不到自己的重量。后来他把这称为自己“最幸福的想法”。由此诞生了一个思想实验:两个没有窗户的舱室。

各站需要 JavaScript。这些实验也收录在“广义相对论”一章中。

互动 · 等效原理

两个舱,同一个结果

窗户关着:从里面看,两个舱一模一样。

大幅夸大:在 2 米宽的舱里,加速度为 1 g 时,光束只下沉约 2 × 10−16 米,因为光穿过这段距离只需约十亿分之七秒。

第 2 站,共 3 站

橡皮膜与水星

1915 年,爱因斯坦的答案完成了:质量使时空弯曲,物体沿着这种弯曲运动。最有名的比喻是一张放着重球的橡皮膜。这一理论的第一次重大检验,是水星轨道上的一个微小谜团。

各站需要 JavaScript。这些实验也收录在“广义相对论”一章中。

互动 · 把时空想象成橡胶膜

膜上的凹陷

调好质量,然后推出试验球。

试验球按牛顿万有引力定律运动;凹陷的深度只是示意。点击或轻触,可以把重球放到别处。

橡胶膜没有告诉你的事

1 · 它用引力来解释引力

重球之所以能把膜压出凹陷,只是因为地球把它往下拉;试验球滚进去也是同样的原因。把膜下面的地球拿走,看看这个模型还剩下什么。

2 · 真正起作用的:弯曲的时间

在爱因斯坦的理论里,靠近质量的钟走得更慢。在地球上这个效应极小:高一米的钟快 1.1 × 10−16,一年大约快 3.4 纳秒。2010 年,原子钟在只有 33 厘米的高度差上就测出了这一点。

地面 50 米 100 米

动画:高度差 100 米,快慢差别被放大了约 5 万亿倍。

所以,一个身高 1.70 米的人,80 年里头部比脚多老大约半微秒。

3 · 穿过时空的路径

把球竖直向上抛:2 秒后它又落回来。在“高度—时间”图上,它的路径是一道弧线。按照爱因斯坦的理论,自由飞行的物体在抛出和落地之间,会走那条让它自己的钟走过最多时间的路径。高处的钟走得快,所以往上飞是划算的。但飞得太高就必须飞得更快,而运动快的钟走得慢。试试不同的弧线吧。

0510 012 高度 (m) 时间 (s) 不动
+2.32 · 10−16 s
球的钟比一直躺在地上多走的时间

太低了:再高一点,钟赚到的会比飞得更快所损失的多。

对于慢速物体——球、行星、你——引力几乎完全来自弯曲的时间。橡胶膜所展示的空间弯曲,对它们来说要弱得多——只在水星的 43″ 这样细微的效应中才显现出来。光则对两者的感受各占一半。所以爱因斯坦的光线偏折(1.75″)正好是牛顿的(0.87″)两倍。

给好奇的你:计算过程
  • 高度相差 h 的两只钟的快慢差:Δf/f ≈ g·h/c² = 9.81 m/s² · 1 m / (2.998 · 108 m/s)² ≈ 1.09 · 10−16;一年(3.16 · 107 s)就是 3.4 · 10−9 s。
  • 沿路径 h(t) 运动的钟所走的时间(速度慢、引力场弱时):τ ≈ ∫ (1 + g·h/c² − v²/(2c²)) dt。
  • 对于 T = 2 s 的弧线 h(t) = k·t·(T − t),相对于不动多出的时间为 Δτ = T³/6 · (g·k − k²)/c²。k = g/2 时最大:恰好是以 g 下落的抛体,最高点 g·T²/8 = 4.9 m,多出 3.6 · 10−16 s。
  • 光线偏折:单是时间的弯曲给出 0.87″,空间的弯曲再加上同样多,共 1.75″。
来源:
  1. NIST(2010):铝离子原子钟在 33 厘米的高度差上就显示出这一效应; Chou 等,“Optical Clocks and Relativity”,Science 329, 1630–1633(2010).
  2. 维基百科(英文):Gravitational time dilation.
  3. Carroll, Lecture Notes on General Relativity, arXiv:gr-qc/9712019: 对慢速物体只有几何的时间部分起作用(牛顿极限,第 4 章).
  4. 维基百科(英文):Geodesics in general relativity: 自由下落的路径在相邻路径中固有时最长; Taylor 与 Wheeler,Exploring Black Holes(2000):“principle of maximal aging”.
  5. Will, “The Confrontation between General Relativity and Experiment”, Living Rev. Relativ. 17, 4 (2014), arXiv:1403.7377: 光线偏折为 (1 + γ)/2 · 1.75″,γ 衡量空间弯曲.
  6. 钟速和弧线为自行计算,见“给好奇的你”。

互动 · 水星近日点

会转动的椭圆

0″
牛顿无法解释的剩余部分
42.98″
每世纪:爱因斯坦的份额

观测到的转动:每世纪约 575″

532″ 其他行星的引力(牛顿)43″ 爱因斯坦

大幅夸大:椭圆画得比水星的真实轨道扁得多,转动也放大了 25 倍。行星造成的 532″ 已扣除;这里只显示每世纪剩下的 43″。圆点并非按真实节奏运行。

第 3 站,共 3 站

1919 年的日食

如果引力能使光偏折,那么擦过太阳边缘的星光就会被稍稍弯折。只有当月球挡住太阳时,才能看见这样的星星。为了观测 1919 年 5 月 29 日的日全食,英国天文学家弗兰克·戴森和阿瑟·爱丁顿派出了两支观测队:一支去西非外海的普林西比岛,一支去巴西的索布拉尔。

各站需要 JavaScript。这些实验也收录在“广义相对论”一章中。

互动 · 1919 年日食

太阳边缘的恒星

爱因斯坦:太阳边缘处 1.75″,距离加倍时减半。

不放大(×1)时位移根本看不见:1.75″ 大约只有太阳直径的千分之一。星场为示意图,参照毕星团绘制,位置并不准确。浅蓝色圆圈:没有太阳时恒星所在的位置。

1919 年的测量:太阳边缘处的偏折

牛顿 0.87″ 爱因斯坦 1.75″
  • 索布拉尔,4 英寸透镜: 1.98″ ± 0.18″
  • 普林西比: 1.61″ ± 0.30″
  • 索布拉尔,主望远镜(1919 年被舍弃): 0.93″
  • 1979 年重测:索布拉尔,4 英寸透镜: 1.90″ ± 0.11″
  • 1979 年重测:索布拉尔,主望远镜: 1.55″ ± 0.34″

数值与误差棒依据 Crispino 与 Kennefick(2019);对索布拉尔主望远镜,1919 年的报告没有给出可靠的误差。

1919 年 5 月 29 日日全食的照相底片
1919 年日食的一张照相底片。被遮住的太阳附近的星星看上去略微向外偏移。图片: F. W. Dyson, A. S. Eddington & C. Davidson. 公有领域, 通过维基共享资源 (来源)