這就是愛因斯坦知道重力必須彎曲光的原因

2020-12-14 李論科學

當光經過大質量物體附近時會發生什麼?它只是繼續沿著一條直線,沒有偏離它原來的路徑嗎?由於附近物質的重力作用,它會受到力嗎?如果是的話,它所承受的力量有多大?這些問題觸及到重力如何工作的核心。今年,2019年,標誌著廣義相對論被證實100周年。在1919年5月29日的日全食期間,兩個獨立的團隊成功地進行了測量太陽邊緣附近恆星位置的探險。通過當時技術允許的最高質量的觀察,他們確定了遠處的星光是否被太陽的重力彎曲,以及彎曲的程度。這一結果震驚了許多人,但愛因斯坦(後面尊稱為小愛)肯定認為這是自己的常規操作,不必驚訝。

引力透鏡和光線經過重力場彎曲圖解

任何慣性系都遵循相同的物理準則

想像你在電梯裡,電梯已經平穩運行,電梯的門關著。你可以聽到外面的聲音,但你看不到外面發生了什麼。你只知道你能感覺到什麼,現在,你試著問你能問的最有實際意義的問題。你移動的有多快,向哪個方向?你的動量有沒有改變?如果是的話,是什麼導致的呢?從電梯裡,無法看到外面發生了什麼,你幾乎無法知道這些問題的答案。根據小愛的規則——追溯到小愛之前,一直到伽利略——你都不能判斷你是否在運動。

沒有什麼測量可以讓你從電梯內部單獨進行,來告訴你速度相對於外部世界是多少。你的電梯可以向上、向下、水平或任何方向移動;除非它的運動發生變化,否則不會對電梯內發生的任何事情產生物理影響。

這就是相對論的原理:所有慣性(非加速)參照系都遵循相同的物理定律和方程。對於任何觀察者來說,靜止電梯和勻速運動電梯內的宇宙特性都是無法區分的。只有當你能看到外面,並把你的運動和外部的東西進行比較,才有辦法知道你是如何運動的。

對火箭裡面的觀察者來說,火箭上升過程他們會感受到不斷加速的力量,但無法確定它的來源。一旦加速度停止,他們就不知道他們是否在運動,除非他們能觀察外面的世界。狹義相對論的核心是沒有絕對運動這樣的概念:所有不加速的觀察者都可以平等地宣稱他們的觀點看到的物理現象是正確的。

加速度產生的力

然而,如果電梯加速,這個故事就會發生戲劇性的變化。以9.8米/秒的速度向上加速的電梯會看到它裡面的所有東西都以同樣的速度向下加速到地板上:9.8米/秒。當你在一輛快速加速(你感覺自己被推回到座位上)或減速(推動你前進)的汽車上時,你會感受到與加速電梯裡的人相似的效果。正是運動的變化——加速度——讓你感受到力的拖曳,就像你從牛頓最著名的方程看到的那樣:F= ma

當車輛經歷加速運動而不是恆定運動時,駕駛員和任何乘客都會經歷一個等於其質量乘以加速度的力。即使在一個封閉的系統中,你不能觀察或觀察外部世界,也會有一種力量讓你得出結論,你的經歷與特定的加速度是一致的。

引力和加速度等效

現在,讓我們來看一個不同的問題。如果你在同一部電梯裡,但它沒有加速,而是靜止於地球表面,你會從裡面體驗到什麼?

來自地球的重力以同樣的加速度拉下一切——9.8米/秒—在我們星球的表面。如果電梯靜止在地面上,地球的引力仍然會導致裡面的每個物體在9.8米/秒的加速度下向下運動:同樣的結果就好像電梯正以這個速度向上加速。對於電梯裡無法看到外面世界的人,也無法知道他們是靜止的,而是在重力場中,還是由於外部推力而加速,這些場景的感受是相同的。

加速火箭(左)和地球(右)中球落地的相同行為證明了愛因斯坦的等效原理。測量單點加速度顯示重力加速度和其他形式的加速度沒有區別;除非你能以某種方式觀察或獲取外部世界的信息,否則這兩種情況會產生相同的實驗結果。

重力場怎樣造成光線彎曲

現在,想想如果你讓一束來自外面的光束通過一個洞進入電梯的一側,並觀察它撞擊另一側牆壁的地方會發生什麼。這取決於你相對於外部光源的速度和加速度。特別是:

①如果電梯和光源之間沒有相對運動或相對加速度,光束看起來會直接穿過。

②如果有相對運動(速度),但沒有相對加速度,光束將沿直線移動,但會被移動而不能直接穿過。

③如果存在相對加速度,光束將遵循彎曲路徑,曲率的大小由加速度的大小決定。

然而,最後一種情況將同樣完美地描述重力場中的加速電梯和靜止電梯。

如果您允許光線從您的環境外部進入內部,您可以獲得關於相對速度和加速度的信息。那麼造成加速度的原因,無論是慣性(推力)還是重力效應,都不能僅僅從觀察中辨別出來。這是小愛等效原理的基礎:觀察者不能區分重力或慣性(推力)效應引起的加速度。在極端的情況下,在沒有空氣阻力的情況下,從建築物上跳下來,會有完全失重的感覺。

小愛思想實驗的結論是無可辯駁的。無論重力效應在空間的某個位置——無論它們引起什麼加速度——它們也會影響光。正如用推力加速電梯會導致光線偏轉一樣,讓光線靠近重力物體加速也會導致同樣的偏轉。

因此,小愛推斷,不僅可以預測光線在重力場中不能沿直線傳播,而且可以通過知道質量附近重力效應的強度來計算偏轉的大小。

相關焦點

  • 為什麼光會受到重力的影響?光又是怎麼被重力彎曲的?
    如果光子無質量,為什麼光會受到重力的影響? 光在時空中傳播,時空可以被扭曲和彎曲,所以光在大質量物體存在時應該會下降和彎曲。引力透鏡效應是由引力引起的光的彎曲。 這是一個很好的問題……首先,愛因斯坦的廣義相對論回答了這個問題。在大多數情況下,人類在日常生活中會遇到光線大致直線,但會因重力而彎曲。這也很有趣,因為在某種意義上,光確實具有「質量」。 在我們的日常經驗中,光似乎以直線行進,不受重力的影響。
  • 彎曲時空,重力,它們的關係是什麼?
    廣義相對論認為,能量(以質量、光或其他任何形式出現)告訴時空如何彎曲,而時空的彎曲則告訴能量如何移動。「重力」的概念就是物體沿著時空彎曲的方向下落。物體遵循的路徑被稱為「測地線」。我們先來看看物體的彎曲面,然後再回來看測地線。
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    你現在已經知道具有質量的物體是如何改變時空的曲度,以及光只會單純地沿著已有的曲度穿越時空:並不是引力在彎曲光。如今,引力透鏡效應已是天文學研究當中的熱門。而現在,開動發動機使火箭往恆定方向進行加速運動,所有飄浮的物體和愛因斯坦都將向離發動機最近的那堵牆上倒去(這與汽車加速時人們被推倒在座位上的情況相同)。如果火箭的加速度與重力加速度相等,火箭中的乘客便會認為火箭正處在地球的表面上。讓我們在這個正在加速的系統中另外做一個實驗。火箭中的其中一位觀察者持有兩個球體,一個鐵球和一個木球。
  • 廣義相對論對時空的解釋,時空必須是彎曲的
    你只會得到一個向下的重力的錯誤印象,同樣的原因是火車車廂向前加速,會給你一個錯誤的印象,那就是有一個向後的力。那麼誰是對的?在重力錯覺事件,似乎認為愛因斯坦的立場在內部是不一致的。如果慣性系定義了非加速度的標準,那兩個慣性系又怎麼可能是慣性系呢?本文終於要展示彎曲的時空如何使愛因斯坦的世界模型和牛頓的一樣自我一致。
  • 牛頓和愛因斯坦是如何看重力?重力是一種幻覺嗎?
    需要一個參照系的原因是只能測量相對於其他物體的運動。牛頓定律不能告訴你,一個參照繫到底是靜止的還是勻速運動的,因為這個區別毫無意義,只是一個觀點。然而,有趣的是,牛頓定律可以告訴你,你的參照系是否真的在加速。這就是它的工作原理。拿一個沒有外力的物體,放開它。如果它保持在正確的位置,那麼你的參照系就不會加速,我們稱之為慣性系。
  • 如果光沒有質量,為什麼它會被重力影響?
    如果光沒有質量,重力如何能使它彎曲呢?這是一個簡短的回答版本:根據廣義相對論,即一個通過了迄今為止所有實驗性和觀察性測試並且極其精準的關於引力的理論,重力是受質能影響產生的時空彎曲。重力不會對光產生影響,光在時空中沿直線運動。然而,質能將那些沿直線運動的光變成曲線路徑。這裡有一個著名的例子:光沿網格線傳播;正如大家所知,當接近質量時這些線路不再是直的而是被彎曲了。這是光受到引力作用而彎曲但這不是光受到重力的影響,而是空間本身被質能彎曲了:這就是引力(這幅圖實際上很好地反映了發生在GR中的事情)。
  • 當光子沒有質量時,黑洞是如何彎曲光的軌跡的?
    是以一種類似於溫度變化的方式導致聲波彎曲的,通過羅德·納夫的海波物理,你可以知道空氣中的聲波在晚上是如何向下彎曲的,原因是靠近地面的冷空氣密度更大。不過請注意愛因斯坦在1916年說到:「光線的彎曲只發生在光速是空間變量的地方」。他沒有說光「遵循時空的曲率」,這就是所謂的對孩子撒謊。
  • 如果光沒有質量,那麼重力是怎麼扭曲它的呢?答案令人深思
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天# 系列徵文是的,根據牛頓力學理論,光並不受重力的影響,因為光是無質量的。早在1912年,也就是距離他在廣義相對論公式取得最終突破的三年前,愛因斯坦寫下了一條對光線偏折 (deflection of light)極為重要的後果之一的簡明描述:(幾何)引力透鏡(gravitational lens)的可能性。這種透鏡由質量M組成,質量M使遠處的光源S發生光線偏折,使得光沿著兩條不同的路逕到達觀察員O。因此,觀察員O將會看見S的兩個不同圖像。
  • 無質量粒子如何體驗重力?
    它解釋了重力勢能,以及勢能如何轉化為動能。它解釋了逃逸速度,並最終讓我們知道如何逃離地球引力的束縛。如果存在一個涉及引力的問題,牛頓引力可以解決它。大約200年來,它解釋了我們所觀察到的一切。這是牛頓宇宙的基本思想:你有所有存在的質量,它們相互吸引,瞬間,跨越任何空間的距離,與牛頓萬有引力定律預測的大小完全一致。這對任何地方、任何時間的所有群眾都是正確的。如果這是100%的,無可辯駁的正確,那就沒有辦法調和光被質量彎曲的情況。光是無質量的(m = 0),因此宇宙中所有的質量都不能對它施加力。任何數,不管有多大,乘以0仍然等於0。
  • 重力是什麼?它從何而來?
    我們也知道重力可以在一個複雜的系統中作用於幾個物體。例如,在我們的太陽系,太陽不僅施加重力行星,讓他們在他們的軌道,但每個星球也對上太陽施加重力,以及其他所有的行星,也都在不同程度上基於質量和自身之間的距離彼此施加重力。
  • 重力是我們存在於地球的根本 如何產生的?
    愛因斯坦成長在十九世紀晚期,當時正值電力時代初來乍到,電力點亮了城市,催生出各式各樣著名物理學家牛頓永遠也無法想像的科技,這些發展攸關於一個愛因斯坦從小就很著迷的東西:光。這裡所說的光不是在說燈泡或是街燈而是光的本質。愛因斯坦執迷於其中一種尤其奇怪的特性,光的速度,這將帶領愛因斯坦推翻牛對對於空間的看法。
  • 愛因斯坦竟不是由於相對論而獲得諾貝爾獎
    現在也有人推測,以太可能是由一種宇宙的暗物質所構成又稱「光引力行為」,光引力行為是一種只有屬於光的萬有引力,發光者藉由暗物質的聚合而產生光,可是這些也只是在構想的階段這時,就職於瑞士專利局的年輕的阿爾伯特·愛因斯坦,卻大膽否定了「以太」說,並一次性解決了光傳播速度的問題。
  • 什麼是重力?愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    其他的幾個力是:控制著電力、磁力和光的電磁力,以及在原子核內的微小距離上有效的一對核力。似乎可能違背直覺的是,萬有引力是這些力中最弱的一個。一個小小的冰箱貼足以從桌子上吸起一枚回形針,即使整個地球的質量都在向下拖拽這枚回形針。圖解:引力作用於形成銀河系的恆星。
  • 愛因斯坦將引力解釋為「時空彎曲」,到底有啥證據可以證明?
    前面幾篇文章我重點講解了廣義相對論關於黑洞的相關知識,但是很多網友表示:無法接受將引力解釋為時空彎曲,認為引力就是一種真的力。哈哈,這沒關係,因為愛因斯坦的很多理論都是於我們的常識相違背的,所以無法接受時空彎曲很正常,不過這期我將從實驗角度來分析,給時空彎曲理論提供有力的證據。
  • 為什麼愛因斯坦認為萬有引力是不存在的​?​該如何理解這句話?
    別看這只是往前延伸一步層次,但得出的結論卻可以完全改變人類對世界的認知。愛因斯坦廣義相對論認為,質量才是引力的根源,產生引力的原因是質量對周邊時空的扭曲。就像一塊石頭丟進水裡,或者一條魚在水裡遊動,就會對水產生漣漪或漩渦,由此影響周邊的物質。
  • 重力的速度是多少?光速嗎?事實比你想像的更複雜!
    但這並不是一個表面上看起來那麼簡單的問題,因為你要清楚重力波可不是電磁波,為何是你認為的哪個速度?我們今天 就來談論這個問題。牛頓的瞬時重力速度和愛因斯坦的有限重力速度我們現在知道光的傳播速度約為30萬公裡/秒,即使在太陽突然消失後的8分鐘多一點的時間裡我們也能接收到來自太陽的光線!但是重力和地球軌道會發生什麼變化?
  • 愛因斯坦引力方程的推導——從簡單的論證中得到愛因斯坦方程
    20世紀最具影響力的物理學家之一,英國理論物理學家保羅·狄拉克曾經說過:牛頓引力理論及其力的瞬時傳播與狹義相對論的要求很難調和,愛因斯坦在解決這個難題的過程中總結出了他的相對論——這可能是迄今為止最偉大的科學發現。
  • 他是愛因斯坦一生最害怕的人,他就是數學之王希爾伯特
    話說在科學史上,愛神一直被牛頓爵爺力壓一頭,屈居第二,一個根本原因就是數學不行,對於科學家來說,數學就好比是內力,愛神雖然以獨孤九劍技壓群雄,說到底也只是登峰造極的外家功夫,而牛頓爵爺自創微積分,這就是九陽神功啊,而愛因斯坦少年輕狂,對數學不屑一顧,數學課上不是逃課就是打瞌睡,他的數學老師閔可夫斯基就稱他為"懶骨頭",正是因為數學能力一般,導致內力不足,不但被牛頓爵爺強壓一頭
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    今天突發奇想,考慮了這個問題:愛因斯坦被譽為二十世紀最偉大的科學家,一直熱度不減,在很多科學愛好者心中排名可以說是NO.1。他的相對論廣為認知,但是愛因斯坦十幾年的研究工作得出的理論在我們日常生活中的實用性都有哪些,肯定很多人都知道矯正GPS的時間差,然後呢?想不起來了吧!所以我們今天就盤點下愛因斯坦提出的理論在我們生活中的9大應用,可以說涵蓋方方面面。