不過,我們也可以從空間幾何形態來考慮問題。我們不是通過觀察空間本身——空間是看不見的——而是通過考察物體在這種空間裏的運動方式,來確定這種空間的幾何形態。如果空間是「平坦的」,各種物體就會走直線從這個空間中通過,如果空間是「彎曲的」,各種物體就會走出彎曲的路線來。
一個具有確定質量和速度的物體,如果在離開其他質量都很遠的地方運動,那麼,它的路徑真的可以說是一條直線。而當它走近另一個質量的時候,它的路徑就會變得越來越彎曲,顯然,是質量把空間彎曲了。質量越大,離質量越近,空間彎曲的曲率就越大。
把萬有引力看作是一個力,看來要比用空間幾何形態去解釋它方便得多,也自然得多。但是,如果在考慮光的行進時,情形就會顛倒過來。按照比較舊的觀點,光是不受重力影響的,因為它沒有質量。然而,當光在彎曲空間裏穿過時,它的路徑也會彎曲起來。把光的速度考慮進來,它在太陽這個巨大質量的附近經過時路徑的彎曲就能計算出來了。
1919年,愛因斯坦的這一理論(發表於三年之前)在一次日蝕期間受到了檢驗,人們把太陽位於空間某處時靠近太陽的某些恒星的位置,與太陽不在此處時這些恒星的位置進行了比較。結果,愛因斯坦的理論站住腳了。用彎曲空間來討論萬有引力,看來要比用力學術語更為精確。
不過,我們還應該提一下,1967年,人們對太陽的形狀所進行的精密測量,發現愛因斯坦的引力理論出了問題,今後將會發生些什麼情況?還得等著瞧。
第43節
每一種亞原子粒子都會產生下列四種不同作用中的一種或幾種。這四種作用是:引力作用、電磁作用、弱相互作用和強相互作用。每一種作用都從它的發源處散播出來,成為一種「場」,而且在理論上是彌散在整個宇宙之中的。大量粒子所產生的同一種場可以疊加起來,產生極其強大的合成場。因此,盡管引力場是這四種場裏最弱的一種,太陽——由大量粒子構成的物體——的引力場卻是很強大的。
位於這樣一種場中的兩個粒子將被場所推動,或者互相靠近,或者互相離開,這要看粒子與場的本性是怎樣的,粒子的加速度則取決於這兩個粒子之間的距離。這種加速度往往又被解釋成是「力」所引起的,所以我們就要談到「力場」。從這種意義上說,場的確是存在的。
不過,我們所知道的力場總是有物質作為它們的起源;一旦物質沒有了,力場也不複存在了。但在科學幻想小說中,總有某些無需物質存在的強大力場被想象了出來。因此就會出現那麼一段真空,它對粒子和輻射能起到阻攔作用,正好象這段真空竟是一塊兩米厚的鋼塊一樣。真空裏會出現各種原子間的作用力,但卻根本不存在產生這些力的原子。這種「無物質力場」作為一種科學幻想的手法倒是頗為方便的,但是,老天在上,根據我們今天所掌握的科學知識來看,這種手段是太缺乏依據了。
「超空間」是科學幻想作品中的又一個挺方便的手法,這是作者用來繞過光速這個障礙的。
為了弄清楚這是怎麼一回事,設想有平攤開來的很大的一張紙,紙上面有相距六米的兩個點,再設想有一只行動極緩慢的蝸牛,它一小時只能走一米,顯然,它要用六個小時才能從一個點走到另一個點。
不過,如果我們把這個兩維的紙片在第三個維上彎曲一下,就會使這兩個點靠近起來。如果這時這兩個點只相隔一毫米,而且不知怎麼一來,那只蝸牛也能跨越過這兩個點之間的空間,那麼,只消幾秒鐘,它就能從一個點到達另一個點了。
現在可以來類比一下:如果有兩顆恒星彼此相距五十光年。那麼,一艘飛船以最大的速度——光速——飛行,從一顆恒星飛到另一顆恒星,也得花五十年的時間(從這兩顆恒星中的任意一顆上來看),這會產生許多麻煩事來。因此,科學幻想小說家想出一個使情節簡化的法子:他們假設具有三維結構的空間能夠在第四個空間維上彎一下,這一來,兩個恒星間就只有一個很小的四維距離了,於是,飛船就會越過這個小間隙,只用很短的一點時間,就從一顆恒星跑到了另一顆恒星。
數學家經常說起與3維物體類似的四維物體,只是在前面加了一個「超」字。一個表面距中心在四維上等遠的物體叫做「超球」。同樣,還有所謂「超正四面體」、「超立方體」和「超橢球」。使用這套表達方法,我們就能把兩顆恒星間的四維距離叫做「超空間」。
不過,無論這種超空間對科學幻想小說家是多麼方便,據我們所知,科學現實中並不存在這個東西,它只是一種數學上的抽象而已。
第44節
強度隨距離平方而減小的場有兩種:電磁場和引力場。這種減小是比較緩慢的,因此,即使在很遠的地方,也能發現這兩種場的存在。地球離開太陽有一億五千萬公里遠,但仍被太陽的引力場緊緊地抓住不放。
但是,在這兩種場當中,引力場又比電磁場弱得多。一個電子所產生的電磁場要比它所產生的引力場大約強四百億億億億億倍。
當然,引力場似乎是挺強大的,每一次我們從高處跌落下來時,都會痛苦地體驗到這一點。但這只是地球太大了的緣故。地球的每個小塊都對引力場有所貢獻,結果,總的引力場就變得很可觀了。
然而,如果我們拿出一億個電子(這個數量是太微不足道了,如果把它們集中到一點上,那麼,即使用顯微鏡也無法看到它們),並讓它們散布在地球那麼大的空間裏。這時,這些電子所產生的電磁場,就會和整個巨大的地球所建立的引力場一樣強大。
為什麼我們對電磁場的感覺不象對引力場那樣明顯呢?
這是由於它們有一點不同的緣故,電荷有兩種,分別叫做正電荷與負電荷,因此,電磁場既可產生吸引作用(在正電荷與負電荷之間),也可產生排斥作用(在兩個正電荷或兩個負電荷之間)。事實上,如果在象地球那麼大的體積內除了一億個電子之外別無他物的話,這些電子就會互相排斥,遠遠地散布開來。
由於電磁吸引力和排斥力的作用,會使正電荷與負電荷均勻地混和起來,這樣,兩種電荷的效應就趨於互相抵消。至於電荷數目的極其微小的差別,則是有可能存在的。我們所研究的正是這種多了一點或少了一點某種電荷時的電磁場。
然而,引力場看來僅僅產生吸引力。每一種具有質量的物體都會吸引其他具有質量的物體,而當質量增加時,引力場也會增大,它們是不會抵消的。
如果某個具有質量的物體,能夠排斥另一個具有質量的物體——其強度和排斥方式正好與一般情況下它們互相吸引時一樣,那麼,我們就得到了「反引力」,或叫「負引力」。
人們還從未發現這種引力排斥作用。不過,這很可能是由於我們所能研究的一切物體都是由普通的物質微粒構成的緣故。
世界上存在著一類「反粒子」,它們在各方面都與普通的粒子相同,只是它們所產生的電磁場恰好同普通粒子相反。例如,如果某一種粒子具有負電荷:相應的反粒子就會有正電荷。也許,反粒子也會具有相反的引力場。兩個反粒子會象兩個普通粒子一樣地以引力互相吸引,但是,一個反粒子卻會排斥一個普通粒子。
麻煩的是,引力場是太微弱了,只有在相當大的質量下,才能發現引力場,而單個粒子或反粒子的引力場,則是無法發現的。我們能夠得到普通粒子構成的大質量,但是,迄今仍未能把足夠多的反粒子搜羅到一起。而且,時至今日,也沒有哪個人能夠提出一種能夠發現反引力效應的切實可行的辦法來。
第45節
關於這個問題,有另外一個比較長,然而也比較明白的提法。這就是:假若太陽突然不複存在,並且消失得無影無蹤的話,地球要在多久以後才不再受到太陽引力場的吸引呢?
還可以提出一個類似的問題:當太陽消失以後,地球什麼時候才不複得到它的光?
對於第二個問題,答案是大家熟知的。我們都知道,太陽離開地球有一億五千萬公里。我們還知道,光在真空中以每秒300,000公里的速度傳播。太陽消失前的最後一束光線在離開太陽後,要用8.3分鐘的時間才到達地球。換句話說,我們將在太陽消失8.3分鐘後才會知道這件事。
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