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文盲都能看懂,愛因斯坦相對論時空彎曲

愛因斯坦相對論有狹義和廣義之分,狹義相對論是研究慣性參考系中的運動規律,也就是不考慮引力的情況,而廣義相對論是研究引力的,這篇文章將為大家展示相對論的時空觀,僅作一個表面直觀的認識,不涉及深奧的數學計算,力求簡單形象,通俗易懂。

首先來了解一下最短距離的概念,在一個球面上兩點,假如它們是水平的,那它們之間最短的連線是怎樣的?注意只能在表面上,不能穿過球體,憑感覺可能是橫著這條線(黑色),其實不是,而是以球心為圓心,過這兩點的圓周,然後兩點之間這條小圓弧(藍色)才是它們的最短距離,這是可以證明的。講這個就是要挑戰大家的直觀經驗,要理解相對論就要拋棄一些生活常識。

牛頓認為,物體之間存在萬有引力,這種力是相互吸引的結果,大小跟兩者質量成正比,跟距離成反比。而愛因斯坦則認為,引力的產生只是時空彎曲所表現出來的效果,一個物體可以使周圍的時空發生彎曲,物體質量越大彎曲越明顯,比它小得多的物體,靠近它的時候會沿著最短距離的路線運動,這個最短距離叫做短程線或者測地線,比如恆星發出的光線經過太陽附近會產生偏轉,牛頓力學和廣義相對論都有這個預言,但是兩者計算結果相差兩倍,後來實驗觀測證實了跟相對論完全相符。

光線走短程線是天然規律,沿著時空彎曲的方向走距離是最短的,所以我們看起來光線被彎曲了。好像與兩點之間直線最短的常識相違背,這就需要我們拋棄生活常識和思維定勢,以純理性去思考看待問題,就像前面舉的球面上的例子,最短距離已經不是我們想當然的樣子了。

再舉一個比較形象的例子,一個床單四角拉直繃緊,放一個鐵球在中間,床單會被壓出一個坑,扔一個玻璃珠過去,玻璃珠會繞著鐵球轉並往裡掉落,當然這只是個比喻,以便直觀理解。這個例子中玻璃珠的運動還是受地球引力的影響,而不是鐵球的引力造成的,鐵球引力還沒大到那個程度,只是我們把布比喻成鐵球周圍的時空。

也就是說引力並不是兩個物體在互相吸引,而是我改變了周圍的時空,你從我的世界經過時,你的運動受到了時空形狀的影響,或者路線偏轉,或者向我靠近,或者繞著我轉動,具體運動形式取決於你的質量和速度。

這張圖比較形象的展示了時空彎曲的情形,它只是個二維剖面圖,在三維空間中是什麼樣子呢?可以想像一個球懸浮在水中,周圍的水就是時空。說明時空是柔性可變形的,至於它的本質是什麼,現在還沒人能解釋清楚。

就是因為這個屬性,才會有引力波,像水波一樣在空間振蕩傳播。黑洞,蟲洞,時空摺疊都是在時空彎曲的基礎上產生的概念,不過很多還只存在科幻作品中,還沒得到證實。

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