如何理解空間彎曲

2020-11-27 219時空

空間不是有形的物質,而是無形的可容納物質的虛空。為了不讓物質在這個無形且無限的三維空間中迷失,並能清晰地標識彼此及其位置關係,人們從中抽象出幾何數學,並將開放的坐標架設在特定的對象點上。

無論是建立在基於平面的歐氏幾何、還是基於雙曲面的羅氏幾何,或者基於球面的黎曼幾何,探討的重點是抽象的幾何面上的相關性質,研究的對象主要是基於三維空間現實物體的投影,所做的變換等操作都局限在其幾何面上。但無論是哪種幾何元素,都是在無限的虛空中裸泳。

幾何曲面可以有彎曲的,因為它是三維空間中彎曲物體表面的數學抽象,任何形狀都對應物體的表象。故如果僅從字面上理解「空間彎曲」,這是無法想像的。空間不是什麼膜,也不是某種網,它本來就空空如也,又如何能被彎曲?故要弄清這個疑難,還得先了解一下彎曲空間的由來。

愛因斯坦提出「空間彎曲」的觀點是根據強等效原理所做的理想實驗得出的。他假設了一個以加速度g上升的封閉電梯,裡面的人無法知道電梯是在以加速運動還是靜止在地球表面。所以引力與加速度對運動的效果是等效的。若讓光線從電梯左壁射向右壁,光線是要向下彎曲的。由此可以推斷,靜止在地表的電梯射出的光線也是彎曲的。引力越強則彎曲得越厲害,而光線在某種意義上就代表了空間,故引力場所在的空間是彎曲的。

看清楚了,空間彎曲實際上指的是引力場所在的空間的彎曲,但這仍然令人難以釋懷。其實這並不是空間彎曲,而是彌散在空間中的引力場的彎曲。引力場彎曲的本質,就是引力場的非均勻分布,越是靠近引力源,引力場越強,這從公式D=M/4πr2中就可以看出,只有在同一球面上,場強才相同。

彎曲空間的基本觀點是「物質告訴時空如何彎曲,空間告訴物質如何運動」,其實就是說運動是物質間的是相互影響造成的。若用空間彎曲來解釋物體在引力場中的運動則會帶來一系列疑問。且不說彎曲空間的軌道化圖景如何避開空間的非物質性這個難題,人工控制的火箭完全可以在彎曲空間中朝任意方向作直線運動又如何解釋呢?物質運動狀態的改變是由外力決定的,物體的運動軌跡只是速度的方向,不能說明空間的形狀。

如果這個電梯外面有個觀察者能夠看到光在裡面的傳播狀態,他就看不到光線的彎曲現象,自然也不會得出空間彎曲的結論。靜止在星球表面和在太空中加速運動是不可能完全等效的(可參看另我的另一文章),故靜止在星球表面上的電梯中的光線也不一定就會彎曲。事實上,用空間彎曲來解釋引力現象也完全是多餘的。光線逃逸不出黑洞的束縛,並不是黑洞視界內空間的高度彎曲,而是沒了原子核的外層電子,光線傳播到黑洞上不能產生次波反射,只有被全部吸收。

相關焦點

  • 時空彎曲是廣義相對論核心,理解了空間彎曲,如何理解時間彎曲?
    愛因斯坦的廣義相對論為我們描述了一種不同於牛頓定律的新的引力觀,根據愛因斯坦的觀點,引力實際上就是空間和時間的彎曲。在牛頓的引力理論裡,太陽將地球限制在固定的軌道上,依靠的是一根「看不見的繩子」。似乎從太陽或者地球生出了一根隱形的「引力之繩」,將兩者拴在了一起。
  • 空間是彎曲的,那麼太陽對空間的彎曲形狀是怎麼樣?
    要了解太陽對空間的彎曲形狀,除了藉助宇宙天體外,我們還能設計實驗來驗證空間彎曲的情況,好在是,這樣設計的實驗在廣義相對論發表了60年後得以實現。如果空間是平直的,那麼信號往返花的時間就應該是穩定漸變的,但事實上並非如此,當無線電信號近距離經過太陽時,花費的時間比預期陡然增長几百微秒。這意味著那裡的空間比看起來的要遠,用光速乘以幾百微秒,大約50公裡,就遠這麼多—太陽對空間造成的彎曲是50公裡。
  • 為什麼質量會彎曲空間,空間中究竟是什麼被彎曲了?
    參見1920年愛因斯坦在萊頓的演講:「時間與空間的相互依賴,或者說認清我們用了10個函數來描述『真空』在物理關係上既不是均質的也不是各向同性的這一事實,最終使我們摒棄了空間是一片虛無的觀點。」 這種非均質的空間被建模成為彎曲的時空,詳見《非均質真空:彎曲時空的另一種解釋》。我們說時空是彎曲的,但並不認為空間本身就是彎曲的。參見《物理學常見問題》:「注意:不是空間的曲率,而是時空的。
  • 彎曲的二維空間存在嗎?該怎麼理解?是否需要三維空間去容納?
    靜態球對稱黑洞但這樣理解就會讓人產生一種錯覺,就是二維空間彎曲需要一個三維的空間(黑洞)來使其彎曲。實際上並不是這樣,我們假設廣義相對論在二維空間成立,二維物面(不是物體)的存在能使周圍空間產生彎曲,那麼我們假設在二維空間每隔1km放置一個相同質量的物面,那麼物面將使其周圍的二維空間產生彎曲,雖然離物面越遠,空間彎曲的曲率越小,但並不為0,因此,在相同質量的物面均勻分布的二維空間將整體發生彎曲,由於物面質量相同並且為正,因此產生的空間曲率也為正,這樣,即使只存在微小的曲率,但由於曲率始終為正,因此最終二維空間會彎曲並閉合為一個球面空間
  • 質量使空間彎曲的原理是怎樣的?
    約翰·達菲爾德(計算機科學學位 + 物理偵探)回應說,質量實際上並不會使空間彎曲。能量的集中對周圍的空間有影響。基於廣義相對論,愛因斯坦說「引力場的能量應以與其他能量相同的方式起作用」。地球這樣的大質量物體之所以有引力,是因為物質是能量的集中,因此E=mc。
  • 質量導致空間彎曲,而彎曲的空間又決定了物質的運動
    早在1915年才華橫溢的阿爾伯特·愛因斯坦在發表廣義相對論中就已經預言了引力波的存在,而這部著作也成為了目前我們理解宇宙的方式,關於相對論認為,我們所處的時空就像一種網狀物,而巨大的質量如恆星和行星會使網狀物發生彎曲,這就是為什麼我們會向地面墜落,造成這種彎曲的就是物體的質量,事實上我們自己的身體,一個撞球甚至一隻蝴蝶都會使得時空彎曲,但這些質量和那些巨大的天體相比微乎其微。
  • 光線會因空間繞道而行,空間彎曲究竟有什麼樣的魔力
    宇宙中常常見到的種彎曲空間叫作黎曼空間。我們之所以感受不到空間彎曲是因為,在地球上空間彎曲是可以忽略不得。但是我們可以設想一下,假如空間彎曲成一個密封的球體,我們從中不停地向前走,一定會走回到我們最開始的位置。這種情景就像是地球圍繞著太陽運轉一樣,所以說彎曲空間是存在的。
  • 廣義相對論中的「時空彎曲」為什麼特別難理解?
    上一篇文章中我詳細談到了廣義相對論中的「時空彎曲」概念,大家應該有一個初步的認識,不過大家肯定也有疑問,對「時空彎曲」概念依然有點蒙圈。別急,這一講我將進一步給大家剖析時空彎曲概念。首先要區分兩個概念「時空彎曲」和「空間彎曲」有差別,時空彎曲是一個具有四維(x,y,z,t)的物體是彎曲的,空間彎曲則是一個具有三維(x,y,z)的物體是彎曲的。其實空間彎曲在我們的現實世界並不存在,我們生存的這個三維空間本身是平直的,但是三維的空間加上一個時間,合併成的「四維時空」為什麼就變得彎曲了呢?
  • 質量與引力,誰讓空間彎曲了?相對論認為是質量,弦論認為是引力
    這是大多數朋友的理解,但其實引力和空間彎曲都是一個現象的兩種不同說法,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,時空是一個不可分割的整體,所以我們在解釋「引力」與空間之間的關係時必須要和時空一起說明,否則這個觀點就是不完整的。
  • 時空彎曲就是空間引力場彎曲
    時空彎曲這個概念採用空間引力場彎曲這個詞語表示比較合適。光線經過恆星表面、黑洞表面時,光子運動的方向和速度會被改變,其原因只能用引力波和暗能量這兩個未解之謎來解釋。隨著時間的推移,科學家最終真正發現引力波和暗物質,並發現引力波和暗物質的來源,但任重而道遠。
  • 時空彎曲:時間與空間原來是不可分割的
    愛因斯坦提出狹義相對論後,他進行了進一步的思考,認為:大質量的物體讓其周圍的空間發生彎曲,從而導致經過它周圍的光線走了一個彎曲的路徑。在愛因斯坦的理解中,時間和空間都不是固定不變的,那麼它們之間有什麼關係嗎?
  • 愛因斯坦的相對論裡中彎曲空間是如何形成的呢
    曲率一一不處處為零的空間稱為彎曲空間。 初等平面幾何所研究的對象是歐幾裡得空間(歐氏空間)。這種幾何的最重要性質之一就是平行線公設:通過給定直線之外的任一點,可作一條直線與給定直線平行。這個公設在彎曲空間中並不適用。天體物理中常遇到的彎曲空間是黎曼空間。它的一種特例是常黎曼曲率空間。黎曼曲率K等於常數1、-1和0的空間分別叫作黎曼球空間、羅巴切夫斯基空間和歐氏空間。
  • 質量到底彎曲了空間中的什麼?
    事實上,質量不會真的彎曲空間。集中的能量對周圍的空間有影響。正如愛因斯坦在《廣義相對論基礎》中所說:「引力場的能量和任何其他能量都是等效的。」 像地球這樣的大質量物體之所以有引力,是因為物質是能量的集中,因此得到公式E=mc。
  • 極簡科普:廣義相對論第一講,空間是如何彎曲的
    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。
  • 一篇關於彎曲空間的演講稿
    你們當中任何一個人都能夠很容易地想像出一條曲線或一個曲面,對於這一點,我是一點也不懷疑的;但是,一提到三維的彎曲空間,你們的臉就全拉長了,你們大概認為,這是某種極不尋常的、幾乎是超自然的東西。為什麼人們這樣普遍對彎曲空間懷有 「惡感」,難道這個概念真的比曲面的概念更難以理解嗎?
  • 彎曲的時間和空間:波動
    漣漪現象的本質就是三維空間和一維時間化學反應生成的四維時空中的波動,數學家為了構建波動現象對應的方程花費了大量努力。四維問題數學方程建立頗為複雜,法國音樂家和數學家達朗貝爾就首先研究琴弦振動進行數學建模。因為琴弦在空間就是一跟直線,因此就將波動中三維空間簡化為一維空間。
  • 《福布斯》:最小的黑洞彎曲空間最劇烈,原因是什麼?
    宇宙最引人入勝的概念之一,是引力不是因為某種看不見的力引起,而是由於宇宙中的物質和能量,它們使空間結構扭曲而產生的。物質和能量告訴空間如何彎曲。彎曲的空間為物質和能量的運動鋪平了道路。兩點之間的距離不是直線,而是由空間本身的結構所確定的曲線。如果您想找到曲率最大的空間區域,該去哪兒?
  • 理解高維空間,三維空間的閉合是什麼?宇宙空間也許就是這種形態
    正確的表述應該是:一維空間的閉合可以是圓,二維空間的閉合可以是球面,那麼三維空間的閉合是什麼呢?一維空間的封閉存在於二維空間中,二維空間的封閉存在於三維空間,那麼三維空間的封閉就應該存在於四維空間中。二維空間中存在封閉圖形,三維空間中也存在封閉圖形,那四維空間中的封閉圖形是什麼呢?或者說三維空間的閉合是什麼?
  • 從數學角度來理解《盜夢空間》
    後面這個問題又帶來一個新問題:如果存在著夢中夢,又如何知道醒來時是回到了現實中,而不是掉入另一個夢呢?  第二段是Saito請Cobb團隊幫忙植夢改變Fisher的想法。其中重要的是通過Cobb及其團隊向新人Ariadne展示了如何造夢、驗夢,以及盜夢的原理。第三段的潛入夢的部分是故事的高潮。在結局時,Cobb最終醒沒醒,似乎變得比任務更加重要。導演是在證明什麼呢?
  • 二維空間彎曲會讓三角形內角和不等於180度,三維空間彎曲呢?
    這個方法簡單有效,能讓螞蟻在不跳出二維世界的情況下,來認識自己空間的形狀。更妙的是,我們人類也可以採用類似的辦法,來認識三維空間的形狀。舉個例子。在愛因斯坦的廣義相對論中,有一個極其重要的假設,就是大質量的物質,比如太陽,會讓周圍的空間發生彎曲。而且質量越大,空間的彎曲就越厲害。這個預言要怎麼驗證呢?