從日全食看時空扭曲，漫畫秒懂廣義相對論

俗話說

「抬起頭看不到自己的腳底」

但是如果有人把你的世界扭曲了

那麼你就可以看到了

你可能認為秒總又發神經了

不過今年的8月22日

美國人在觀看「日全食」的時候

已經經歷了一次「時空扭曲」

這是真的嗎？

這是真的！！

接下來

秒總來告訴你哪裡扭曲了

並且教會你怎麼判斷空間是否被扭曲了

因為這是一個深奧的物理學和拓撲學問題

所以接下來的內容會有點難度

不過看完之後會~很爽~很爽~哦

首先

有些東西能夠一眼識別它是否是曲面

有些東西因為太大

而人又生活在上面

所以無法看出它是否是彎曲的

同樣是球

為什麼會有這種區別呢

因為它們的「曲率」不同

「曲率」簡單地說就是「彎曲程度」

那麼

問題是

生活在地球上的我們

用什麼辦法可以判斷大地是平的還是彎的呢

或則說

怎麼測量它的「曲率」呢

首先

來了解幾個概念：

「空間扭曲」「引力」和「張量」有著密切的關係

接著

再來看另一組概念：

有時候會考慮很多條向量

那麼就組成了「叢」和「場」

學了上面的概念之後

我們就具備了一種能力

能辨別一個東西是不是扭曲的了

你設想自己手裡拿著一根「矛」

與地面保持垂直

構成一個「法向量」

然後你一邊走動

一邊平行移動這根矛

如果走了很遠

矛還是與地面垂直

說明你生活在平坦的地面上

如果發現矛已經不與地面平行了

說明地面是彎的

如果甚至還神奇地貼在了地面上

說明你生活在更加彎曲地面上

而如果你依然堅持認為地面是平的

你就只能把這種詭異的現象解釋為

「地心引力把我的矛吸到了地面上」

你也許感受到了什麼不同尋常的東西

那就對了

接著往下看

你會發現更大的秘密

接下來

我們要拿出另一個法寶

「切向量」

假設我和你都握著矛

往同一個方向前進

並且矛始終和地面相切

如果地面是平坦的

那麼我們的矛將永遠平行

但是如果我們生活在球面上

那麼即使往同一個方向走

矛會相交到一起

也就是說

在球面上

或者你也可以想像成

有兩條平行的光線射出去

在北極點相交

如果你此時還不承認地面是彎曲的

你就只能解釋為

「這兩條光線是被萬有引力吸到了一起」

我們再來回顧一下兩次實驗

你有沒有發現什麼問題

「引力即是幾何」

根本TM根本沒有「引力」這東西

造成這種誤解的原因

都是因為你不承認自己生活的世界被扭曲了

你依然用平坦的世界觀來認識宇宙

現代人雖然已經接受了地球是彎曲的事實

但還不敢承認宇宙也是彎曲的

除非讓偉大的愛因斯坦親自來說服你

愛因斯坦根據彎曲的「黎曼幾何」

建立了他著名的「廣義相對論」

「廣義相對論」的模型是「彈簧床理論」

假設太陽放在彈簧床上

太陽把彈簧床壓出了一個凹陷

「凹陷」代表它扭曲的空間

然後

地球會滾到凹陷里去

這很好理解

球往低處走嘛

因為你不承認時空被扭曲了

所以你只好把這種現象解釋為

「太陽的萬有引力把地球吸過去了」

那麼地球上的「地心引力」又是怎麼回事呢

首先

地球也有質量

也會把周圍的空間扭曲

扭曲的空間把我們往地面上壓

就製造了「引力的假象」

我們不敢承認空間是扭曲的

那麼就只好解釋為

「地心引力把我們吸向地面」

另外

一顆太陽或恆星熄滅之後

會收縮為密度更大的「中子星」

那麼它對空間的扭曲會更大

引力也會更大

中子星繼續坍縮

就變成了黑洞

黑洞的體積無限小

質量無限大

那麼曲率和引力也就無限大

我們先不扯那麼遠

來看看1919年日全食的時候

發生了什麼可怕的事情

那時候

月亮正好飛到了太陽和地球中間

太陽光被月亮遮擋

投影投到地球臉上

在投影里的人可以看到「日全食」

一切都很平靜

但是這個時候有一顆星星在太陽背面躲著

按道理地球上是看不到這顆星星的

因為光沿著直線傳播

星光被太陽遮擋了

可是

奇怪的事情發生了

地球上的天文學家卻看到了它

那麼

解釋只有一個

那就是愛因斯坦所預言的

太陽周圍的時空被扭曲了

空間被扭曲

星光也接著被扭曲

繞過太陽射向我們

被我們觀測到

秒總上面說了

用「法向量」或「切向量」可以測量空間曲率

其實沒這麼簡單

在物理學中

至少要用兩個切向量才能測量

這兩個切向量就像一把尺子一樣

所以叫做「黎曼度規」

用它可以測量超級複雜的空間曲率

例如

也可以測量比「曲率」更複雜的「撓率」

我們會不會生活在

這種極度變態彎曲的宇宙中呢

很有可能

因為已經有科學家預言了

宇宙一共具有10個維度

卡丘空間

就是下面這種玩意兒

一種極度扭曲的曲面

它的彎曲程度無法想像

迄今也沒有人知道它確切的形狀

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下次我們再講講「卡丘空間」吧

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