極簡科普:廣義相對論第一講,空間是如何彎曲的

2020-12-16 華箋流香

一張平面的世界地圖,和一個地球儀相比較,會發現中國旁邊的那些國家,變形的都很厲害。尤其是以中國旁邊的俄羅斯為最,從平面地圖上來看,俄羅斯的面積非常的大。但是從地球儀上來看,俄羅斯和中國的面積大小沒有差別這麼大。

平面上的中國和俄羅斯地圖比較

球面上的中國和俄羅斯地圖比較

造成這種現象的原因,是把一個曲面上的形狀,繪製到平面上造成。這種視覺上的差別,就是空間彎曲的最直觀的體現。

我們所說的時空的彎曲是指物理上的彎曲。這種彎曲,是可以精確測量的。

如果讀者有一把直尺,可以用它去測量平面上線段的長度。但是,如果要測量的線段,位於一個球面上的話,這個直尺肯定沒辦法測量長度。如果要測量球面上兩點的距離,那要用一個彎曲的弧度和球面的弧度一致的尺子去測量。

在物理學上,給這樣的尺子有一個定義,叫做「度規」。「度規」的意思就是度量的規矩。所以說,直尺和曲尺,就是兩個不同的度規。這兩個度規之間的差別,叫做「度規張量」。

在經典力學裡面,很少提到度規和度規張量這個概念。因為在經典力學裡面,度規是相同的,都是歐幾裡得度規。度規張量是一個常數,通過某種變換,這個常數可以變成0。所以在經典力學裡面,不會提到度規和度規張量。

在廣義相對論裡面,能量和質量會影響度規,在不同的情況下有不同的度規。物理意義的度規張量就是:廣義相對論裡彎曲時空的度規,與歐幾裡得度規之間的差別。

在平面幾何裡計算兩點之間的距離公式,是勾股定律,就是ds^2=dx^2+dy^2。推廣到n維空間的情況,會得到如下公式:ds^2=∑∑Gij(dxi^2+dyj^2),其中Gij就是度規張量。

Gij是常數的時候,空間就是平直的;Gij是函數的時候空間就是彎曲的,這是數學意義上的時空彎曲。

用彎曲時空的度規,去測量引力場內物體的運動規律,才能測得與歐幾裡得平直空間裡面相同的規律。這是物理上的時空彎曲。

物質具有相同的規律,在物理上是指,有相同的數學形式。

所以,廣義相對論描述的是:物體的運動規律,在彎曲的時空中,運動規律的不變性。這就是為什麼廣義相對論叫廣義相對論,而不叫引力的理論的原因。

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