2014-11-08 18:43:19   信息源:TimeRim.com   发布猿:metu

前言前言

      在最新一集《人类宇宙(Human Universe)》中,布莱恩·考克斯(Brian Cox)教授准备测试万有引力定律。为了亲眼目睹这一壮举,他跋涉到了NASA太空电力工厂(Space Power Facility),在美国俄亥俄州克利夫兰附近。这里是世界上最大的真空室,用于模拟太空环境,进行航天器测试。

      当你把保龄球和羽毛同时在高空释放将会发生什么?答案似乎很明显,后者下降速度较慢,由于存在空气阻力。

      考克斯教授进行了两个对比实验,空气和真空环境,实验对象是一个保龄球和若干羽毛。显然,第一个空气环境实验中,保龄球先着地,羽毛慢慢地飘落。第二个实验,把几乎所有的空气都抽走了,保龄球和羽毛同时落地。这是因为没有空气阻力,它们以同样的速率下落。但考克斯教授也提到,根据爱因斯坦的狭义相对论,它们压根不是在下落,而是在保持静止状态。

 

正文正文

      视频来自布莱恩·考克斯《人类宇宙》第四集,一起来看看保龄球和羽毛同时落地的壮观场面吧。以下视频由『TimeRim字幕组』译。

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      物理学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)和艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的理论都认为,如果没有空气,物体将以同样的速率下落到地面。

      在1971年阿波罗15号任务期间,指令长戴维·斯科特(David Scott)在月球表面做的著名的实验,有效证明了这点。在月球上,他同时松开了手中的锤子和羽毛,看着它们同时下落到地面,证明了当空气阻力和某些其它力没有作用在物体上时,它们会以同样的速度着地。

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      为了创造类似于太空不含空气的环境,考克斯教授参访的真空室,能够将30吨的空气抽走,直到剩余2克空气。这个NASA真空室建于1969年,高122英尺(37.2米)、直径100英尺(30.5米),由铝制成,以应对辐射,但仍需要一个外部的混泥土外壳,以确保它足够强大来容纳里面的真空。NASA真空室起初用于测试核推进系统,现在主要用来测试航天器,考克斯教授用它来测试一个令人印象深刻的实验。

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      首先,考克斯教授通过升降机架将保龄球和一些羽毛升到高空,在有空气环境中将它们下落到地面。第一个实验中,保龄球直落到地面,而羽毛缓缓飘落,由于室内存在空气阻力。他提到了伽利略的早期实验,也测试了相同的假设。“伽利略的实验很简单,”考克斯教授解释道“他拿起了一个重的和一个轻的物体,然后同时放手,看看它们哪个下落的更快”。

      但伽利略的实验只证明了,两个外形相当的物体虽然重量不同却能同时着地,不能亲自证明重量和表面积都相异的情况如何同时下落。毕竟,那时17世纪并没有考克斯教授如此大的真空室来做更有说服力的实验。

      然后,考克斯教授工作人员将真空室大门关闭。密室里有80万立方英尺(约2.3万立方米)的空气,需要三个小时才能抽成真空环境。“一旦完成,密室里将有近乎完美的真空”,和控制中心人员一起的考克斯教授说道,其中一个工程师按下释放按钮,保龄球和羽毛从空而落就像第一个实验一样。不过这次,它们以完全相同的速率着落到地面,让他们非常惊喜。“它们真的同时落地了!”,“天啊”考克斯教授和工程师们都非常兴奋。

      考克斯教授开展这项实验不仅是为了证明伽利略和牛顿是正确的,还证明一个更有趣的假设,由20世纪物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出的。

      “艾萨克·牛顿可能会说,保龄球和羽毛之所以会下落,是因为存在一种力拉着它们下来” 考克斯教授解释道,“但爱因斯坦想像的情景完全不同。他一生中最快乐的想法就是这样的,保龄球和羽毛一起下落的原因是,它们并不是在下落,它们是在保持静止状态,完全没有力作用在它们上面。他的理由是,如果你不看它们的背景环境,那就完全没办法知道,保龄球和羽毛正在朝着地球加速。所以,他下了结论:它们的确没有。”

      通过改进牛顿的早期理论,使得爱因斯坦能够更准确的定义自己的狭义相对论。这揭示了空间和时间的关系,其中一个结论是:没有任何东西可以比光传播得快。

      爱因斯坦的狭义相对论表明了空间和时间是如何相互作用的,还有重力对宇宙的作用效果。这是最早在1905年由爱因斯坦提出的,并在2004年发射的NASA重力探测器来证明他的理论。

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      根据牛顿理论,认为引力变化只是瞬间的,这显然打破了物理定律。但根据爱因斯坦提出的,认为两个物体完全没有在下落。如果把你与其中一个物体交换,也就是说,如果一个人在箱子里面,这个人将不知道他们正在同时下落。

      这也是考克斯教授在视频最后陈述的意思,如果以真空室其中一个下落物体为参考系,这将无从了解到有什么力正在作用。这后来被称为等价性原理,在本质上,它表明质量独立于其它力,比如地心引力。

      长话短说吧,考克斯教授的实验折射出了——爱因斯坦称为“我一生最快乐的想法”的影子。

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