能讓時空彎曲的不僅是質量,還有速度,時間膨脹效應與廣義相對論

2020-12-03 科學信仰

時間和空間與宇宙一同產生,且是客觀存在的。

人們經常會懷疑時間的存在,但其實這是一件沒有什麼好爭辯的事情,當你明白了時間和空間的本質,就會知道這二者並不是獨立存在的個體。

我們習慣於把時間和空間作為兩個事物分開來說,可在物理學上,時間和空間是一個整體,並稱為時空,時空才是它們真正的名字。時間與空間密不可分,二者只能同時存在或同時不存在,所以時間和空間都是客觀存在於宇宙之中的。不過,無論是時間還是空間,並不是永遠穩定而平緩的,它們會因為引力的作用而發生彎曲。

引力可以被描述為物體之間的相互吸引力,但引力的本質並不是力,而是一種幾何效應,所以引力會導致時空的彎曲,引力越大,時空彎曲效應就越明顯。

我們可以將時空彎曲分成時間的彎曲與空間的彎曲來分別討論,引力所引發的空間彎曲是顯而易見的,證據就是引力透鏡效應。在沒有幹擾的情況之下,遠處恆星的光芒應該是直接照射到地球之上的,所以我們看到的亮星的位置就應該是它所在的位置。但是如果一顆亮星的光在到達地球之前途徑了太陽的引力範圍,就會因為太陽引力所導致的空間彎曲而改變方向。

於是我們所看到的亮星並不在其真正的位置上,當地球與太陽的位置關係改變之後,亮星的光不再經過太陽的身邊,在我們看來,它所處的位置就與之前截然不同了。

這就是因為太陽周邊的時空彎曲形成了類似透鏡的效應,改變了光的方向。而引力所導致的時間彎曲效應就是指強大的引力會使時間變慢,引力越強,時間就越慢,這也被稱為時間膨脹效應。時間膨脹也是一個客觀存在並且被天文觀測所證實的現象,在強大的引力範圍下,宇宙天體所發射的電磁波波長會變長,這種現象被稱為引力紅移,恰恰是時間膨脹效應的最好證明。

引力會導致時空彎曲,而通常認為引力產生於質量,所以引發時空彎曲的就是質量。

而事實上能夠引發時空彎曲的不僅有質量,還有速度。

當有質量的物體在進行加速運動的時候,會產生慣性質量,加速度越快,慣性質量就越大。而慣性質量又等效於引力質量,所以在加速運動的物體周圍也會出現時空的彎曲,同理,加速度越大,物體周圍時空彎曲的效應就越發明顯。這也就是為什麼運動速度越快的物體,其時間就越慢的原因。所以我們經常說,如果能夠超越光速,那麼就能使時光倒流。當然這是無法實現的。

其實也並非所有物質的高速運動都會導致周圍時空的彎曲,光就是一個例外。

因為光沒有靜止質量。

一個物體只有擁有靜止質量,那麼它的慣性質量才能夠隨著運動速度的增加而增加,這也是任何物質無法超越光速的原因所在,因為當速度趨近於光速的同時,其質量也會趨向於無窮大,而質量等價於能量,我們沒有無窮大的能量,自然也無法把有質量的物體推進到光速。而光因其沒有質量,所以代表了宇宙間最快的速度,當然,其也不會因為速度的增加而產生慣性質量,所以其也不會導致時空的彎曲。這就是廣義相對論中所講的時間膨脹效應。

相關焦點

  • 從狹義相對論到廣義相對論,非慣性系中的時間膨脹效應
    鍾慢效應和尺縮效應很好地證明了慣性系下的時間膨脹效應。值得一提的是,在慣性系下,時間膨脹具有相對性,時間流逝速度的變化是針對於不同參考系而言的。比如運動中輕子的時間流逝速度變慢是針對於靜止參考系而言的,如果以另一個做同向運動的輕子為參考系,那麼其時間流逝速度則是不變的。
  • 廣義相對論的時空彎曲效應
    這下你的腦袋徹底暈了,你完全無法想像出時間和空間彎曲是什麼概念,如果我說時間變慢,甚至說時間膨脹,空間收縮什麼的,你大概都覺得還馬馬虎虎能想像得出來,但是這個時空彎曲實在太令人費解了。別慌,愛因斯坦這個非凡的思維實驗叫愛因斯坦圓盤實驗」。有趣啊,你心裡想,前有牛頓水桶實驗,後有愛因斯坦圓盤實驗。
  • 相對論裡的時間膨脹效應能讓人長生不老嗎?
    很多人都聽說過愛因斯坦的相對論裡有一個奇怪的效應——時間膨脹效應。根據這個效應,運動物體的時間跟靜止物體的時間是不同步的,物體的運動速度越快,時間過得越慢。當物體運動速度接近光速,時間就會變得無比緩慢。於是,就有小朋友腦洞大開,紛紛表示古時候《西遊記》裡說的「天上一日,凡間一年」原來是真的,神話故事終於有了科學依據!嗯嗯!那麼天上神仙的長生不老是不是也能實現了呢?
  • 利用相對論裡的時間膨脹,人能實現長生不老嗎?
    ,狹義相對論下運動速度接近光速時和廣義相對論下時空曲率極大時。嚴重高出地球逃逸速度n個數量級,早不知道飛到哪裡去了……然後看看根據廣義相對論又如何?按照廣義相對論,時空越彎曲,時間越慢。這個時空彎曲與時間膨脹的關係比上面的速度與時間膨脹的關係更難理解一點。
  • 鍾慢尺縮是因為高速物體質量變大引起的時空彎曲導致的嗎?
    一開始跟時空彎曲扯不上半點關係,因為那時愛因斯坦還沒有創立廣義相對論。狹義相對論的適用範圍是慣性系,它的時空是平直的、純粹的,它還沒有真正把時空與物質及其運動聯繫起來。所以它仍屬於經典物理範疇。在狹義相對論中,鍾慢尺縮和高速物體質量變大只是效應。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    這個過程就有點像平面幾何,就只有五條公設,但是能搞出一整套體系。而這裡的相對性原理,說白了就是經典物理學的老套路,在研究運動時,需要先選個慣性參考系。通過這兩條假設,愛因斯坦出了很多奇葩的結論,比如:時間膨脹。說的是,如果你想對於我高速運動,那我看你的時間就會變慢,這種變慢可以理解成,如果你在高速的飛船裡做操,那我這裡看到的就是你在慢動作做操。
  • 根據廣義相對論,物體為什麼會落地?
    在時空中,距離這回事有點不同:現在兩點還只是空間中的點,但在時空中,兩點(也稱為「事件」)之間最短的路徑是一條貫穿時空的路徑,例如物體在時空中可以移動的路徑。兩個事件之間時空的間隔大小能被計算。在這裡起決定性作用的是,只有一個,也就是在廣義相對論中,兩事件之間最直接的連接是粒子穿梭所花費時間最長的連接。
  • 愛因斯坦廣義相對論再被驗證:時空扭曲質量方式正確
    北京時間7月20日消息,據國外媒體報導,愛因斯坦的廣義相對論在過去100多年裡,能預測並驗證1910年代實驗範圍之外的科學研究,並且經受了科學家的最新考驗。目前研究人員進行傳統實驗,進一步驗證愛因斯坦廣義相對論的正確性。通常科學家會觀察宇宙天體扭曲空間結構的程度,從而確定它的質量大小。
  • 為何自由落體符合廣義相對論
    現在,兩點之間的最短路徑(也稱為「事件」)是穿越時空的方式。這個路徑的大小是可以被計算的: 在這裡,決定性的只有一個,即在廣義相對論中,粒子沿路徑移動所用時間最大的路徑,是兩個事件之間最短的路徑。為什麼要花儘可能多的時間?這樣做有兩個原因:根據狹義相對論,球的運動速度越快,它所用的時間就越慢。
  • 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。
  • 通俗理解時空效應,感受質量、空間與時間的關係
    質量、空間與時間廣義相對論深刻的揭示了質量、空間、時間三者的關係,廣義相對論理解起來似乎太難,理解起來很不方便,因此,我們似乎可以通俗化的理解三者的關係。這與廣義相對論的時間延遲效應有差異,廣義相對論的時間延遲效應公式很有可能就是一種近似值公式,原因是空間的時間貢獻不僅附近的質量(天體)有貢獻,遠處的質量也有貢獻,整個宇宙的質量都有貢獻。因此,小質量天體在其附近產生的時間效應不大,與整個宇宙物質在其附近產生的時間相比,微不足道。而大質量天體可以在附近產生很大的時間效應,相對整個宇宙的質量在大質量天體附近產生的時間效應就明顯了。
  • 物體落地,非因「重力」,廣義相對論另有解釋?
    在這裡起決定性作用的是,只有一個,也就是在廣義相對論中,兩事件之間最直接的連接是粒子穿梭所花費時間最長的連接。為什麼時間要儘可能長呢?原因有二:根據狹義相對論,球運動地越快其時間流逝地越慢。在正常速度下這個影響很小,不過也會導致一個以5米每秒的恆定速度運動的球,時間流逝會慢約0.14飛秒,飛秒是千萬億分之一秒——影響極小!
  • 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?
  • 顛覆物理世界的廣義相對論
    20世紀初,愛因斯坦先後提出了狹義相對論和廣義相對論,證明了自然界根本不存在絕對靜止的參考系。他用一個簡單的「時空」代替了作為獨特實體的空間和時間,「時空」對於處在不同位置和不同運動狀態的觀察者而言,看上去是不同的。愛因斯坦指出,在像地球這樣的大質量的物體附近,時間流逝得更慢一些。這是因為光的能量和它的頻率有一種關係,即能量越大,頻率越高。
  • 廣義相對論和狹義相對論
    先來說狹義相對論。簡單來說,狹義相對論是一種新的時空觀,在這種時空觀中,物體的運動速度會影響其質量,空間,以及時間。這個看似古怪的理論其實已經經過無數實驗的證明。舉兩個🌰:狹義相對論中,有一個著名的時間膨脹效應,就是速度越快,時間越慢。假如李老師現在被派去外太空出差,幾十年後回來,到時候海洋裡的其他小老師已經白髮蒼蒼,滿臉皺紋,但是李老師還保持著年輕的容顏。因為李老師的速度比較快,她的時間相對流逝的慢了。再舉一個例子,假如你拿著一個時鐘瘋跑,時鐘不僅變慢了,它的質量也變大了。假如你以80%光速狂奔,時鐘的質量會增加2.3倍。
  • 有人說廣義相對論中的「時空彎曲」是騙人的,你怎麼看?
    時空彎曲時候真實的存在,怎麼可能是騙人的呢?廣義相對論中最突出的一個特點就是時空彎曲,用時空換去解釋引力的本質。如果說廣義相對論一開始更多的只是猜測,沒有實際的證據,那麼最近幾十年科學界的不斷探索發現證實了時空彎曲的正確性!比如,廣義相對論很好地解釋了水星近日點進動現象,這是萬有引力定律無法解釋的。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    這個定律現在還有效,並且運用與許多科學研究和實踐中。比如三個宇宙速度,就是根據引力定律換算出來的。根據這三個速度,人們才能夠發射出人造天體,脫離地球引力飛往太空。愛因斯坦廣義相對論揭示了引力的本質屬性。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    牛頓萬有引力定律雖然揭示了這個世界普遍存在的一種力,而且也得出了這種力的規律,但是他沒能解釋出這種力的根源是什麼,為什麼會有這種力存在。因此停留在知其然不知其所以然的層次。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。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    幸運的是此時我們已經有了一個更為接近真理的理論,廣義相對論。廣義相對論是由愛因斯坦所提出的,以廣義相對論的觀點來看,引力更像是一種幾何效應,而非一種力,引力可以被看作是一種時空的曲率。廣義相對論認為,有引力的物體都擁有能量,而能量會導致時空發生彎曲,所謂的時空彎曲又可以分為時間彎曲和空間彎曲。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    從那個蘋果砸中牛頓的一刻開始,牛頓忽然意識到是重力在導致蘋果下墜,而且不僅是大地,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引,這就是萬有引力。以牛頓的理論作為基礎,經過了上百年的研究和測量,人類最終找到了萬有引力常數G,於是我們擁有了萬有引力公式。