第1部分(3 / 4)

小說:黑洞 作者:蒂帆

對這些不可見星球(直到門68年才命名為“黑洞”)的詳細研究需要一種比牛頓理論更精確的引力理論。愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在,其“大小”恰與米切爾和拉普拉斯猜想的一樣。

但是,嚴格說來,這兩個理論在不可見星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛頓理論,即使逃逸速度遠大於30公里/秒,光仍然可以從星球表面射出到一定高度,然後再返回(正如我們總能把一隻球從地面往上丟擲)。而在廣義相對論裡來講逃逸速度就是不正確的了,因為光根本不可能離開黑洞表面。黑洞的表面就像一隻由光線織成的網,光線貼著表面環繞執行,但決不能逃出來、在第11章裡還將看到,如果黑洞在自轉,則捕獲光的那個面與黑洞自身的表面是不相同的藉助於逃逸速度來描述黑洞·雖然有有索要的歷史價值和啟發作用,卻是過於簡單了。

直至廣義相對論建立為止,米切爾和拉普拉斯的思想被人們完全遺忘了。這一方面是因為沒有什麼跡象表明宇宙中存在如此緻密的物質(當然,不可見性本身是一個好理由);另一方面,他們的思想是建立在牛頓關於光本性的微粒說基礎上的,即光微粒也像通常物質一樣服從引力定律。而在整個19世紀,光的波動說佔據了統治地位。按照這種理論,光是一種振動在媒質中的傳播,光波是不受引力影響的,米切爾和拉普拉斯的思想因而失效。

力場

行星的運動之所以能被計算出來,是因為我們知道物體之間的相互吸引力與它們的質量成正比,與距離的平方成反比。然而這裡有許多更深刻的問題尚未回答,比如引力的本質,它如何由物質產生,又如何作用到被真空隔離的物體上。

牛頓的引力不像馬拉車的力或農夫用鐵鍬翻地的力那樣,透過直接接觸來傳遞。一個物體產生的引力能作用到遠處的另一物體。這種不需要媒質而瞬時作用的力的概念,是雷納·笛卡兒(Ren6Descartes)於1644年在其《哲學原理》(Principes delaphilosophie)中所闡述的,並難以被機械宇宙觀所接受。牛頓本人是一個忠實的機械論者,他把自己的定律看作只是一種能計算物體運動的數學工具,而不是一種物理真實。他曾說過,想象引力能瞬時地和超距地作用是荒謬的,是沒有一個真正的哲學家能接受的。拉普拉斯曾試圖透過考慮引力以有限速度傳播來修改牛頓理論,他的推理在原則上是正確的(自愛因斯坦以後,我們知道引力是以光速傳播),但在實際上是錯誤的:他算出引力的傳播速度必定是光速的700萬倍。

19世紀,同樣的超距作用問題重新出現在研究電的學者面前。與引力相似,兩個物體間的電力也與它們電荷的乘積成正比問力是與兩物體質量的乘積成正比),與它們距離的平方成反比。但是,儘管物理學家最後還是接受了(沒有更好的辦法)引力的超距作用,他們卻拒不接受電力也是如此。

於是,邁克爾·法拉第(Michael Farada力和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(JamesClerk Maxwell)提出了場的概念。場能夠作為物體間相互作用的媒介,並以有限速度傳播。不是兩個電荷在真空中透過瞬時力相互吸引或排斥,而是每一個電荷都在其周圍產生一個“電場”,其強度隨距離增大而減小。每個電荷所受的力都歸結為兩個場的相互作用。那末,引力也能以同樣方式來描述:一個物體產生的引力場作用於所有其他物體。

這決不只是一種描述詞語的簡單改變。場的根本優越性在於,它把瞬時超距作用代之以需要時間來傳播並隨空間距離增大而減弱的作用。場論,這經典物理的光輝頂峰,看似毀壞了牛頓物理的根基,實則開闢了通向電磁學,然後是相對論的道路。

麥克斯韋的光

在19世紀末,物質間的作用力被分為三類:引力、電力和磁力。

電的特徵是存在正、負兩種電荷c同種電荷相互排斥而異種電荷相互吸引,作用強度隨距離變化的關係則與磁力一樣。磁力是磁體的特性,磁體吸引鐵,並指向地球兩極的方向。每個磁體都有兩個極,即北極和南極,同種磁極排斥而異種磁極吸引。

在吸導內排斥的行為上,電和磁看來很相似。古希臘人已經覺察到與毛皮摩擦過的流油能吸引碎草片(英文中電一詞就是來自希臘文中琉璃一詞),天然磁礦石能吸引鐵屑。公元前6世紀,希臘大幾何學家泰勒斯(Thales)認為,電和磁是同一種現象,這些奇特的物質含有吮吸周圍物體的“精靈”。

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