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· 关于价值的科学原理
· 一国两制和一国两值都是蛮头疼的
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· 面对信释的瞎忽悠,还望网管五思
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【侃政治-12】
 · 关于价值的科学原理
 · 一国两制和一国两值都是蛮头疼的
 · 彭佩奥架空川普越来越明显
 · 关于六K党的来龙去脉
 · 简评川普国情咨文
 · 面对信释的瞎忽悠,还望网管五思
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【侃哲淆-2】
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【侃科淆】
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从王亚平空中授课到广义相对论 2013-06-21 04:37:35

此文原是给紫荆棘鸟的“闲侃几句 physics(1)”一文的回帖。

作为业余爱好者,俺觉得最好是以物理的方法讨论物理。如果仅仅用数学来讨论物理,那就太无聊了。以王亚平在太空授课为例。她讲解了如何在失重条件下测量物体的质量。这原本是一个非常有意思,并且是一个极为重要的问题。这是因为,思考造成惯性质量同引力质量等价的背后的物理原因,要比仅仅从数值上验证一下它的真实性重要一万倍。王亚平说, 因为没有重力,就不能像在地面上那样, 用称重的办法来测量物体的质量大小。但是,我们可以根据 F=ma,想要知道m,只要测量 F a 于是就可以用 m = F/a 算出质量. 接着,她把物体放进一个仪器中, 仪器上立马显示出两个数字,分别是F a。于是大功告成。但俺觉得这样的实验无聊透顶。这不仅仅是因为这样的实验不具什么启发性,也不能激发学生对物理世界的兴趣和想像力。而却这样的实验完全可以在地面上完成。只要找一个足够光滑的水平面。然后设法让那个被测物体做水平加速即可。

有意思的是,也是王亚平的这个问题,经过爱因斯坦的思考,却导致了他的广义相对论 爱因斯坦认为,惯性质量同引力质量的等同,不仅仅是数值上的巧合,它们物理机制上根本就是同一个东西。换句话说,当你在坐在宇宙飞船里,受到大小为一个G的加速度加速的时候,你的感觉跟坐在一个矗立在地面上不动的飞船里的感觉完全相同。这个相同不是来自数学的巧合,而是物理原因的相同。既然加速可以导致某种等效的“重力”,那么很可能地面上的重力其实是某种等效“加速”的结果。要把重力等效为某种加速,就要用到数学工具,这便是黎曼几何和时空弯曲的概念。

可以这样理解黎曼几何下的弯曲时空。在平直的时空里,物体除非受到外力作用,否则不会加速。同理,当你在一个在平直空间里做加速运动时,你会看到你周围的(本来是平直的)空间变得弯曲起来。要想直观地理解弯曲时空里的“重力”现象,只要把把牛顿惯性定律反过来用即可。弯曲时空里的”惯性定律“可以大致描述为:“在弯曲的时空里,一个没有受到外力作用的物体会做加速运动,加速度的大小同时空的曲率成正比,同质量大小无关。” 当你在一个弯曲的时空里自由加速时,你会看到弯曲的时空又变直了。换句话说,加速度产生了一个相反的弯曲,正好把原来的弯曲抵销掉。


俺在紫鸟的评论里说爱因斯坦是在踢皮球。是因为俺觉得,就“引力是什么”这个本质问题而言,广义相对论认为是时空扭曲的结果,而造成时空扭曲的原因有是由于质量的存在。因此爱因斯坦把经典物理中的“引力是什么”这个问题转换成”为什么质量会造成时空弯曲“。对于这个问题,广义相对论仍然不能回答。

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文章评论
作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 08:30:33
何同学好 !

俺是嘎亚平。俺现在要给您空中授课了。

爱因斯坦的“爱家拳”,俺也学到了三拳两脚。作为汇报演出,俺提出了“对于一个在扭曲的时空里做自由加速运动的观察者而言, 他应当看到周围的时空是平直的。换句话说,加速产生了一个同扭曲的时空相反的扭曲,两者正好相互抵消。”如果公理是对的,那么他必须是自洽的。下面俺就用“爱家拳”来说明, 为什么必须是这样。

假定把王亚平放进一个房子里,把房子从空中扔下来,作自由落体运动。假定没有大气阻力问题。那么王亚平应当是完全失重的。并且她的感觉,应当同他在神十里的感觉完全相同。这时如果让她用实验的方法来验证牛顿惯性定律,她会发现牛顿惯性定律也是成立的。假定王亚平有一个可以测量时空扭曲的仪器,那么她测量的结果应当是一个平直的时空, 并且她正在和房子一起,在个平直的时空里做匀速直线运动。黎曼几何应当有这样的性质,它可以把一个弯曲时空里的自由加速运动,等价于另一个平直时空的匀速直线运动。要完成这样的等价,除了三个空间变量外,还必须引入时间变量才行,这就是为什么必须要用“时空扭曲”这个词的原因。

关于第二个问题,扭曲时空里的加速方向,应当由某种类似于曲面的“法线”特性所决定,就像地球的重力方向必须指向地心是一个道理一样。这样,自由加速的方向只能有一个,不可能是相反的。当然你可以用火箭把一个物体向重力相反的方向加速,但是这就不能叫自由加速了。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 07:07:53
谢紫鸟!

等待您对希尔伯特的“公理化”物理的说法更详细的介绍。俺不了解有关第六问题的具体情况。以下仅仅是俺的猜测。作为数学家, 希尔伯特有这样的想法是很自然的事。希尔伯特在提出他的23个问题的时候,也正逢爱因斯坦的以微分几何为基础的广义相对论和科尔莫格洛夫的公理化概率论的诞生。

无论是数学思考还是物理思考,都必须有一个或几个作为开始的“假定依据”,这些依据要么是纯形式逻辑,要么是某个公理系统, 要么是某个现成的(相对公理程度要弱的多)理论。但是俺觉得,爱因斯坦在思考物理问题时所用到的‘公理’,与数学家希尔伯特脑子里的‘公理’概念还是有区别的。唯一让希尔伯特兴高采烈的, 也许只剩下黎曼几何这个工具了。

物理学的基本情况是,‘公理化’的思维模式在运动学领域总是成功的。比如,爱因斯坦就是通过如下的思考,想到了时空弯曲的概念。设想你坐在一个方方正正的房子里做加速运动,这是如果有一道同你的运动方向垂直的光线“水平”地射房子里进来。我们知道,如果房子做匀速运动,那么合成轨迹,即你看到的在房子里的光线, 应当是一条斜直线。但是如果房子在加速运动,你看到的光线就应当是一条曲线。换句话说,如果把房子外面的光源换成一个观察者,那么这个观察者就应当看到一个扭曲了的房子。瞧,时空弯曲就这么简单!在某种程度上,广义相对论可以说是第一次把几何公理引入到了动力学。所以才让希尔伯特这么高兴。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 05:44:00
谢花蜜蜂来访!

NASA也经常搞一些取悦老百姓的东西,目的是为了让纳税人掏腰包时更心安理得些。但是,一旦过了头,就必然会浮躁起来。比如上次他们宣布发现在 Mono Lake 存在砷基生物,就很不严肃。科学是不能这么个玩法。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 05:22:30
安博:

是王亚平的空中授课,让俺想到了广义相对论的故事。俺无意要求王亚平的物理水平非要有多么高才行。俺的一个总体感觉是,中国物理教学普遍缺少“物理味”。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 05:17:40
谢 pumbaa。

侃物理,咱们都是业余的,所以尽管侃, 尽管想。保证不用交税。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-22 05:10:09
谢安博:

【同意嘎子关于引力和时空弯曲是“相互转化”的理解。之所以要用时空弯曲的概念是因为电磁波和引力波没有发现传递介质,只好把万有引力当成时空的一部分来处理。】

---- 之所以人们觉得波传播应当有介质才行,是因为人们对声波和固体波的例子太熟悉。所以想当然地以为电磁波也应当是这样。如果不走量子的路线,那么有关以太的思考路子大致是这样的:电磁波确实有波动的特性。但另一方面,如果把光看成粒子,那么子弹在空中飞就不需要介质(量子路线)。所有波动方程必须包含同介质性质,但是在麦克斯韦方程里,决定介质性质的唯一常数是C.因此,如果以太真的存在,它的“性质”必须同c挂钩(比如, c×c 同以太的‘密度’成反比,同以太的‘刚性’成正比)。 但是,这样的思考路线立马出了问题。麦克斯韦的那个c是相对哪个参考系而言 ? 换句话说,以太是静止的,还是运动的 ? 狭义相对论就是针对这个无法解释的矛盾而诞生的。
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作者:何岸泉 留言时间:2013-06-21 10:59:57
嘎兄好,

你本文的这一句:【当你在一个弯曲的时空里自由加速时,你会看到弯曲的时空又变直了。换句话说,加速度产生了一个相反的弯曲,正好把原来的弯曲抵销掉。】

根据高中物理知识,关于物体的速度是有方向的。那么,上面这段话是否应该加上“相反方向”四个字?改成:
『当你在一个弯曲的时空里以--相反方向--自由加速时,你会看到弯曲的时空又变直了。换句话说,加速度产生了一个相反的弯曲,正好把原来的弯曲抵销掉。』

因为如果与原加速度方向同向加速的话,弯曲的空间更加弯曲了,而不是变直了。

不好意思,嘎兄,我的专业不是物理学。可能显拙了。
回复 | 0
作者:紫荆棘鸟 留言时间:2013-06-21 10:43:09
用“踢皮球”去说明广义相对论没有涉及引力的本质,是对的。
但是它开创了 Hilbert 所说的 (Hilbert 问题第 6 问题) “公理化物理”的一个典范。
俺先说这一句,随后俺会就这个话题继续胡侃:)

太空授课,那是另外一回事情,纯粹是浮躁的表现。
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作者:花蜜蜂 留言时间:2013-06-21 09:02:44
赞嘎博的文章!

蜜蜂已经忘记许多中学物理,哈哈,不是当年的中国教育不行,而是长期生活不运用逐渐忘记。

从教育和表演来看,王亚平的课堂是不错的,有六千万人在课堂,还有许多关注着这堂课的人。所以这个影响力不是一般的。中国航空航天技术的发展和成绩,跃然屏上。

宇航员是从飞行员中间挑选,飞行员一个城市也选不出几个。中学时候就要进入训练环节,看得出来他们的心理和科技训练非常有成绩的,所以说这个课堂是不简单,美国那次的课堂蜜蜂也见过,孩子们的表演也令人惊讶。

由此赞叹人类科技的发展普及这速度是何等奇妙。

爱因斯坦的思考能够超越时代的局限,不愧为真大师。
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作者:安博 留言时间:2013-06-21 08:35:54
忘了趁机显摆一下,证明引力质量和惯性质量的等同性是我大一学年结束时的实验设计,因此还发得了个小奖。王亚平在微重力下测惯性质量比地面做容易多了,这只是为了演示空间站的有用性吧。
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作者:pumbaa 留言时间:2013-06-21 08:30:25
老嘎这篇文章含金量很高啊,稍微资质普通一点的网友如本猪,理解起来就有点难度了。

至于那空中授课,其实是表演秀,看的人中有几个是注意其中的物理现象的?
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作者:安博 留言时间:2013-06-21 08:22:31
好帖,同意嘎子关于引力和时空弯曲是“相互转化”的理解。之所以要用时空弯曲的概念是因为电磁波和引力波没有发现传递介质,只好把万有引力当成时空的一部分来处理。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-21 07:05:28
谢兔兄!

您的第一条俺没懂。第二条,撇开量子力学,标准模型,规范场论等思考路线,为什么质量会导致附近的时空扭曲,很可能是物理学的下一个突破点。俺初步的想法是,按照爱因斯坦的理论,引力的本质,很可能预示着空间同物质可能是可以互换的,就像物质同能量是可以互换差不多。举例来说,如果你嫌你家的后院太小,你可以取一小块土,把它变成你家后院的空间,于是你家的后院就变成了几个公顷了。但是也许正相反,你们家整个后院的空间, 可能只等价于一克土。如果是这样, 你们家就完全没有了后院。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2013-06-21 06:46:56
marsfield:

完全同意您的看法。比较中美两国的理工科教学,大致可以得到这样一个结论。中国大学培养出来的理工科学生基本上是数学型的。而美国理工科学生基本上是物理型的。爱因斯坦的例子说明,物理概念要比数学公式重要的多。因为世界的本质是物理的。数学虽然也重要,但其重要程度永远超不过物理概念的直观理解。多数情况下,数学是一个可以用来近似描述物理世界的工具。
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作者:stinger 留言时间:2013-06-21 05:41:17
嘎大师干正经事真令人惊诧!

从这段我的想法是:

1)加速度,是宏观世界(范例)物质运动的常态。而平均速度,是人为的。宇宙的红移现象证明了。

2)加速度与时空本质的关系?是前者造成后者,还是相反,还是无关?都需要考虑。

很有意义的讨论
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作者:Marsfield 留言时间:2013-06-21 04:57:50
博主好文。深刻揭示了rote learning 的结果。知其然而不知其所以然。中国的教育令人堪忧,连王亚平这样的人都不能幸免。
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