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?

2020-12-03 天文同好樂園

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。事實上,儘管牛頓的引力理論已經相當精確了,但牛頓自己也意識到他的理論存在嚴重的缺陷,即,兩個相距遙遠的物體憑藉什麼相互影響?引力是以什麼方式發生作用的?

牛頓曾在自己的著作中坦言:「非生命物質不藉助任何其他非物質形式的中介,而能無接觸相互發生作用,是無人能信的。」200多年後,愛因斯坦用時空彎曲的觀點解釋了牛頓心中的疑問,假如牛頓在世,不知道會不會同意。當代物理學家喜歡用「保齡球放在一片二維的橡皮膜上」來形象地、直觀地比喻空間彎曲,在這樣的圖景中,地球繞太陽運動是因為地球進入了由太陽造成的彎曲空間的一道「溝谷」。準確地說,地球是在太陽周圍的彎曲空間中走一條阻力最小的路徑。

應該說,「保齡球與橡皮膜」所表現的空間彎曲圖景讓人很容易理解,但不要忘了還存在一個時間彎曲的問題。如果用上面同樣的方法來類比時間彎曲,就很難讓人理解了。這是因為,我們很容易感知到空間的存在,比如你身處位置的前後、左右和上下共三個維度,你可以用不藉助任何工具也能測量出來。但時間就不同了,比如說你身處一個漆黑的空間,如果不藉助鐘錶,你就很難感知到時間作為一個維度的存在。所以要描述時間彎曲,還只能通過純文字來解釋。

那麼時間到底是如何彎曲的呢?打個比方,假如有張三和李四兩個人,同時身處太陽系的邊緣,他們各自攜帶了已校準過的極精確的時鐘,張三停留不動,而李四向著太陽運動,這時會發生什麼呢?說明一點,為了簡單起見,我們忽略其他天體的影響,只考慮太陽的引力場。在李四向太陽運動的過程中,每隔一段時間就會與張三對表,這時他們會發現,兩個人的時鐘不同步了,張三的時鐘走得較快,而李四的時鐘則走得較慢,李四離太陽越近,他的時鐘走得越慢。

從這個意義上來說,太陽的質量像扭曲空間那樣也扭曲了時間,這就是廣義相對論中預言的時間彎曲。這裡有一點不同的是,在一顆如太陽這樣的普通恆星附近,引力場對時間的影響是很小,不像對空間的影響那麼大。舉例來說,假如張三停留在距離太陽10億千米處,而李四距離太陽幾千米,那麼李四的時鐘節律大約為張三的99.9998%,的確慢了,但慢得不多。

但是,如果不是太陽而是一顆中子星,那就不同了,在同樣的距離上,李四的時鐘節律將是張三的76%,時間彎曲就很明顯了。這是因為,中子星的體積雖然不及太陽,但質量卻是太陽的千萬億倍,所以它的引力場要比太陽大得多。以此類推,像黑洞那樣的天體具有更強的引力場,越靠近黑洞,時間也就走得越慢,從黑洞的引力場外觀察,無限靠近黑洞的時鐘仿佛是停止的。所以,歸根到底一句話,引力場越強,時間彎曲得也就越厲害。

相關焦點

  • 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?
  • 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。
  • 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。
  • 如何理解空間彎曲
    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。
  • 為什麼質量會彎曲空間,空間中究竟是什麼被彎曲了?
    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 。
  • 時空彎曲產生引力改為引力使時空彎曲,能不能解釋相對論的問題?
    1905年相對論面世後,曾經有一位記者問英國天文學家阿瑟·愛丁頓,他是不是真的就是世界上僅有的三個能理解愛因斯坦的相對論的人之一。愛丁頓認真地想了片刻,然後回答說:「我正在想誰是第三個人呢。」看到很多同學似乎浸淫相對論多年,悟出了很多道理,隨時可以推翻,我就多說幾句淺薄的見解吧。詭異相對論實際上,相對論不是簡單的E=mc2,它只是當年狹義相對論發表後,愛因斯坦幾個月後做的一點補充,但由於簡潔明了而深入人心。同學們誤會很深啊,真正的廣義相對論涉及許多微分方程、洛倫茲變換和其他複雜的數學表達形式,當年愛因斯坦都需要和其他數學家合作才弄了出來發表。
  • 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: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?
  • 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。
  • 蘋果落地是因為時空彎曲嗎
    原標題:蘋果落地是因為時空彎曲嗎   廣義相對論是描述萬有引力的又一個裡程碑,是建立天體星系運動模型的基礎   1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,這是繼牛頓之後,描述萬有引力的第二個裡程碑。這個理論,至今仍然是天體物理及宇宙學中,建立天體星系運動模型以及宇宙演化模型的基礎。
  • 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。這樣,就可以測量信號發出和返回的時間間隔。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。
  • 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
    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。
  • 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。
  • 時空彎曲與引力的關係
    時空會彎曲是真的,這是毋容置疑的。引力波能被探測到就是最好的證明。因為引力波是時空的漣漪,是時空的振動,這說明空間是具有彈性的,不是純剛體的東西。還是把場方程的圖,放在開頭。那麼空間是如何彎曲的,就是我們應該深挖的內容。
  • 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。
  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    後來愛因斯坦弄了一本書叫《廣義相對論》,告訴我們牛頓弄錯了,引力不是力的作用,是一種現象。質量使時空彎曲,彎曲的時空告訴物體如何運動的一種現象。what?愛因斯坦,你還是回你的火星去吧。大家淡定,我做一個通俗易懂的實驗,把愛因斯坦的想法告訴大家。
  • 用最簡單的方式解說相對論的時空彎曲
    不懂相對論,沒看過相對論,是否可以了解愛因斯坦所說的時空彎曲呢?虛數時空與實數時空實數時空時空,簡單說就是時間與空間聯繫性的數理表達。古代雖然也有時空的表達,例如宇宙這個概念,是時間空間的總稱。但是古代通常是把時間與空間分別研究的。盤古開天闢地的神話傳說很不簡單,因為在這個故事中,古人同時考慮了時間與空間的變化。這是數理性表達的很大進步。「天日高一丈,地日厚一丈,盤古日長一丈。
  • 時空為什麼彎曲?
    我們認識的時空是人類視角(光速)時空,時空彎曲是由大質量天體產生,(愛因斯坦的理解)與速度有關嗎?第一宇宙速度是7.9千米/秒,物體如果達到7.9千米/秒的速度,它就會永遠地繞地球運行而不會從天上掉下來,我們也之稱為環繞速度;第二宇宙速度是11.2千米/秒,物體如果達到這個速度,將會逃離地球的束縛飛向星際空間(太陽系之內),我們也之為脫離速度;第三宇宙速度是16.7千米/秒,若是要到太陽系外去旅行那就要達到這個速度。
  • 彎曲時空,引力退散
    這樣,引力在空間當中的每一點都消掉了。如果我們考慮在引力場中物體的運動,比如引力場中一個小球的運動、光線的運行、電磁現象等等,我們都可以將空間逐塊考慮。這樣,原則上對於全空間當中的每一點,我們都可以知道小球是如何運動的、電磁場是如何變化的,等等。全空間中每一點都知道了,那麼全空間其實我們也知道了。
  • 引力波的記憶,時空的永久彎曲,尋找引力波的另一途徑
    原來黑洞合併時產生的引力波也會留下記憶,引力波產生後,會從源頭開始向外產生漣漪,經過星際空間,而引力波經過某些星際空間時,就會導致該時空被永久彎曲,而正是這樣永久彎曲的時空,讓引力波具有了留下「記憶」的行為,並且我們人類可以通過這種方式去尋找引力波。