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全本小说网 www.qbshu.com,最快更新狭义与广义相对论浅说最新章节!

    从系统的理论观点来看,我们可以设想经验科学的进化过程是一个连续的归纳过程,理论发展起来并以经验定律的形式简洁地综合概括了大量的个别观察的结果,再从这些经验定律,通过比较推敲,确定普遍定律。根据这种看法,科学的发展有些象编纂分类目录。这好象是一种纯粹经验性的工作。

    但是这种观点绝不能概括整个实际过程;因为这种观点忽视了在严正科学(严格正确的科学,特别指数学一类的科学,————译者注)的发展过程中直观和演绎思考所起的重要作用。一门科学一经走出它的初始阶段,理论的发展就不再仅仅依靠一个排列的过程来实现而是研究人员受到经验数据的启发而建立起一个思想体系;一般来说,这个思想体系在逻辑上是用少数的基本假定,即所谓公理,建立起来的。我们将这样的思想体系称力理论。理论有存在的必要的理由乃在于它能把大量的个别观察联系起来,而理论的“真实性”也正在于此。

    与同一个经验数据的复合相对应的可能会有好几个彼此颇不相同的理论。但就从这些理论得出的、能够加以检验的推论而言,这几种理沦可能是十分一致的,以致难以发现两种理论有任何不一致的推论。例如,在生物学领域中有一个普遍感到兴趣的例子,即一方面有达尔文关于构种通过生存竞争的选择而发展的理论,另一方面有以后天取得的特性可以遗传的假设为基础的物种发展理论。

    我们还有另一个例子说明两种理论的推论是颇为一致的,这两种理论就是牛顿力学和广义相对论。这两种理论是这样的一致,以致从广义相对十导出的能够加以检验的推论而力相对论创立前的物理学所未能导出的,到目前为止我们只能找到少数几个,尽管这两种理论的基本假定有着深刻的差别。下面我们将再一次讨论这几个重要的推沦。还要讨论迄今已经得到的关于这些推论的经验证据。

    (1)水星近日点的运动。

    按照牛顿力学和牛顿的引力定律,绕太阳运行的行星围绕大阳(或者说得更正确些,围绕太阳和这个行星的共同重心)描画一个椭圆。在这样的体系中,太阳或者共同重心位于轨道椭圆的一个焦点上,因而在二个行星年的过程中,太阳和行星之间的距离由极小增为极大;随后,减至极小。如果我们在计算中不应用牛顿定律,而引进二个稍有不同的引力定律,我们就会发现,按照这个新的定律,在行星运动的过程中。太阳和行星之间的距离仍表现出周期性的变化;但在这个情况下,太阳和行星的连线(向径)在这样的一个周期中(从近日点一离太阳最近的点一到近日点)所扫过的角将不是360度”。因而轨道曲线将不是一个闭合曲线,随着时间的推移轨道曲线将充满轨道平面的一个环形部分,亦即分别以太阳和行星之间的最大距离和最小距离为半径的两个圆之间的环形部分。

    按照广义相对论(广义相对论当然与牛顿的理论不同),行星在其轨道上的运动应与牛顿一开普勒定律有微小的出入,即从一个近日点走到下一个近日点期间,太阳一行星向径所扫过的角度比对应于公转整一周的角度要大,这个差的值由:

    决定。

    (注意:公转整一周对应子物理学中惯用的角的绝对量度中的2π角;从一个近日点到下一个近日点期间,太阳一行星向径所扫过的角大于2π角,上式表出的量值就是这个差。)在此式中,a表示椭圆的半长轴,e是椭圆的偏心率,c是光速,T是行星公转周期。我们的结果也可以表达如下:按照广义相对论,椭圆的长轴绕太阳旋转,旋转的方向与行星的轨直运动方向相同。按照理论的要求,这个转动对于水星而言应达到每世纪43”(角度),但是对于我们的太阳系的其他行星而言,这个转动的量值应该是很小的,是必然观测不到的。(特别是由于下一颗行星————金星————的轨道几乎正好是一个圆,这样就更加难于精确地确定近日点的位置)

    事实上天文学家已经发现,按照牛顿的理论计算所观测的水星运动时所达到的精确度是不能满足现时能够达到的观测灵敏度的。在计入其余行星对水星的全部摄动影响以后,发现(勒韦里耶于1859年,牛柯姆[Newcomb]于1895年)仍然遗留下一个无法解释的水星轨道近日点的移动问题,此种移动的量值与上述的每世纪+43”(角度)并无显著的差别。此项经验结果的测不准范围只达到几秒。

    (2)光线在引力场中的偏转。

    在第22节已经提到,按照广义相对论,一道光线穿过引力场时其路程发生弯曲,此种变曲情况与抛射一物体通过引力场时其路发生弯曲相似。根据这个理论,我们应该预期一道光线经过一个天体的近傍时将发生趋向该天体的偏转。对于经过距离太阳中心△个太阳半径处的一道光线而言,偏转角(a)应等于:

    可以补充一句,按照理论,这个偏转的一半是由于太阳的牛顿引力场造成的;另一半是太阳导导致的空间几何形变(“变曲”)造成的。

    这个结果可以在<u>日全食</u>时对恒星照象从实验上进行检验。我们之所以必须等待<u>日全食</u>的唯一原因是由于在所有其他的时间里大气受阳光强烈照射以致看不见位于太阳圆面附近的恒星。所预言的疚可以清楚地从图5中看到。如果没有太阳(S),一颗实际上可以视为位于无限远的恒星,由地球上观测,将在方向D1看到。但是由于来自恒星的光经过太阳时发生偏转,这颗恒星D2看到,亦即这颗恒星的视位置比它的真位置离太阳的中心更远一些。

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