石錘！引力和時間、空間曲率有關，再次證明愛因斯坦的正確性

2020-09-03 九品博物官

今天我們要討論的問題是彎曲空間及其與引力現象的關係，雖說人們能夠輕易地想像出一條曲線或一個曲面，但是一旦我們提到三維的彎曲空間時，想必不少人都會感到十分困惑，或許你會認為這是一種極不尋常、幾乎屬於超自然範疇的東西，為什麼人類會普遍「排斥」彎曲空間？難道這個概念真的比曲面的概念更加難以理解嗎？

當我們稍稍更深層面的思考時，你會發現人們之所以難以想像出一個彎曲空間，是因為我們無法像觀察一個球的曲面或是像觀察馬鞍這類二維的曲面般，從外面對它進行觀察，實際上這也暴露了我們不懂得曲率的嚴格數學意義，事實上這個詞的數學含義同它的一般用法存在很大區別，數學家在描述某個面彎曲的同時，是指這個面上所畫的幾何圖形的性質，它不同於我們在平面上所畫的同一幾何圖形的性質，當我們用它們偏離歐幾裡得古典法則的程度來衡量曲率的大小時，倘若你在一張平坦的紙上畫一個三角形，這意味著正如我們從初等幾何學所學的一般，這個三角形三個角的總和等於兩個直角。

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雖說我們可以將這張紙彎成圓柱形、圓錐形，甚至捲成更為複雜的形狀，但是畫在這張紙上的三角形的三個角之和，必然會永遠保持等於兩個直角的狀態，令人詫異的是當一個國際天體物理學家團隊追蹤一對奇異恆星軌道近20年後，終於顯示出令人興奮的新證據，它甚至證明了天體旋轉是如何扭曲空間和時間的，也就是扭曲的時空結構。

《科學》中也曾指出這些數據進一步證明了阿爾伯特愛因斯坦在一個多世紀前發表的廣義相對論的正確性，相信大家也一定聽過牛頓的萬有引力定律，雖然牛頓知道萬物都會產生這種力，即便兩個物體相隔無限遠也仍舊會受萬有引力的作用，但是牛頓卻無從得知，為什麼會產生引力，作為高中物理必學的萬有引力定律，顯然學完後的我們也不知道為什麼會產生引力，所以這更加凸顯出愛因斯坦廣義相對論的高明之處，即引力來自空間和時間的曲率。

而太陽和地球等天體竟能改變這種幾何結構，那麼，人類為何能夠得到這一結果？這是因為一個相對論奇異雙星系統「PSR J1141-6545」，大約100萬年前，它在恆星爆炸成一顆脈衝星，即中子星之前開始膨脹，還拋掉了附近白矮星上的外核，這些墜落的碎片使得白矮星旋轉的越來越快，直到它的一天只能用分鐘衡量。

1918年，也就是愛因斯坦發表他的理論三年後，奧地利數學家約瑟夫倫斯和漢斯瑟林就已經意識到，倘若愛因斯坦是對的，這意味著所有旋轉的物體，理應都會「扭曲」時空的結構，而在日常生活中，這種影響卻微乎其微，幾乎檢測不到，對於時空究竟是扭曲還是平直的，想必人們心中都有一個不約而同的答案。

顯然我們需要一個真切的證據令心中的疑團消散，幸運的是一項最新研究揭開了這一疑惑，事實已然證明宇宙和時間在死星周圍形成的漩渦證實了愛因斯坦廣義相對論的另一個預言，即時空繞著一顆死星旋轉，它再次證明了愛因斯坦所言是正確的，正如科學家認同的一般，時空確實被宇宙中巨大的旋轉物體攪動著，因為在PSR J1141-6545雙星系統中，科學家看到了由一顆旋轉的白矮星所產生的時空效應，也被人類稱為幀拖拽。

什麼是幀拖拽？實際上幀拖拽就是倫斯-瑟林效應，它表明時空會繞著一個巨大的旋轉物體旋轉，我們不妨腦補一下，地球被蜂蜜淹沒，當行星旋轉時，它周圍的蜂蜜也會打旋，同樣時空也是如此，PSR J1141-6545這種白矮星-脈衝星雙星系統是由帕克斯射電望遠鏡發現的，脈衝星每4.8小時會繞對應的白矮星運行一周，白矮星的快速旋轉拖曳著它周圍的時空，使得整個軌道的方向發生了改變，1999年，科學家藉助澳大利亞帕克斯射電望遠鏡的實力，在穆斯卡星座發現了一個獨特的雙星體系，它靠近著名的南十字星座，在這個星系中，無線電脈衝星PSR J1141-6545與一顆相對較大的白矮星相互繞轉。

它的「一年」時長不及地球的5小時，因為無線電脈衝星是一種快速旋轉的中子星，它可以沿著磁極發射無線電波，不得不說這個脈衝星的軌道非常特別，由於恆星之間的最大間隔幾乎不會超過太陽的大小，如此看來它在軌道上會以近100萬公裡/小時的最大速度在太空中飛行，維維克維卡塔拉曼克裡希南博士聲稱，他是馬克斯普朗克射電天文學研究所的科學家，也是我們在前文中提到的論文著第一作者，他在澳大利亞斯溫本科技大學攻讀博士學位時，就已經對無線電脈衝星PSR J1141-6545進行了數據分析和部分觀察，後來根據恆星演化模型，人們得知它的白矮星伴星附近的情況理應大不相同，儘管它比地球小一些，但它的質量卻達到了地球的34萬倍，這已經相當於太陽的質量。

該階段人們預計它將在幾分鐘的時間內繞軸旋轉，一位廣義相對論的專家兼論文合著者的博士曾表示，假設LAGEOS-1繞著這顆白矮星運行，它的軌道每天只會前進幾度，因為該區域時空的牽引力大約是白矮星的1億倍，如此看來科學家已經石錘了引力與時間、空間的彎曲程度有關，對此，小夥伴們是如何看待的？歡迎在評論區下方留言，感謝觀看本期視頻，我們下期再見。

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    來自一個國際天體物理學家團隊在追蹤一對奇異恆星軌道近20年後，現在終於顯示出了令人興奮的新證據，證明了天體旋轉是如何扭曲空間和時間的這些數據是愛因斯坦廣義相對論進一步的證據證明，其研究發現現已發表在《科學》期刊上，再一次證明愛因斯是正確的！一個多世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他著名的廣義相對論。
  • 時間扭曲,愛因斯坦的理論再次被證明是正確的
    當然這不是第一次了，每次科學家看到一個星系團將周圍時空扭曲時，總是想起愛因斯坦的引力方程，一次又一次驗證了這個理論。為什麼我們要繼續測試愛因斯坦的廣義相對論呢？因為宇宙一直處於膨脹，並且膨脹加速，這是由某種未被解釋的神秘力量「暗能量」所導致的。
  • 愛因斯坦的廣義相對論在地球表面上再次被證明是正確的
    廣義相對論是現代物理中基於相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由愛因斯坦自1907年開始發展，最終在1915年基本完成。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何曲率屬性，而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。
  • 牛頓與愛因斯坦關於引力觀點的異同
    因此它不是純粹空間的而是時空的。應該把時間延緩同樣考慮進去。牛頓的靜態引力學和愛因斯坦的引力學在時空曲率上並沒有實質區別。比如我們知道兩個學說在低速率和中等質量的結果上有重疊。那是因為牛頓本人也身處時空當中！
  • 引力是時空性質,不是由時空曲率產生的!
    廣義相對論是以廣義相對性原理和等效原理建立的，這兩個「基本出發點」都沒有錯。而愛因斯坦發現廣義相對論必須用到彎曲時空。所以很自然的他將引力的本質歸結於時空曲率。這是從馬赫原理獲得的啟發。而用時空曲率來解釋引力，是無法想像的一件事。這也是廣義相對論可以精確預測和符合很多實驗，卻無法納入到量子場論體系中的原因。
  • 牛頓和愛因斯坦是怎麼看引力的?
    （有時你會感覺引力很強，但是別忘了地球時刻以 6x10^24 kg得力在拉著你）在大多數情況下，牛頓的引力定律是十分精確的。然而，牛頓的理論還是有很強的局限性，不論是在實驗（水星軌道上的存在的微小異常）還是理論方面（和相對論的不兼容）。這些局限導致愛因斯坦修正了引力定律，即提出了廣義相對論（在此簡稱GR），相對論大致把引力解釋為時空曲率的結果。
  • 引力的本質是什麼？愛因斯坦和牛頓誰更正確？
    愛因斯坦針對引力的存在提出了不同的觀點，他認為引力和傳統認知中的力不一樣，並不是一種物質運動產生力，而是「時空彎曲」。物體存在於時空中，會根據質量的大小對周圍的空間產生影響，質量越高的同時體積越小，產生的引力就越大，其實引力的本質是時空彎曲造成的時空曲率。
  • 光線會因空間繞道而行，空間彎曲究竟有什麼樣的魔力
    牛頓認為那是因為有引力的存在。雖然牛頓發現了「萬有引力」,但是牛頓卻不知道萬有引力是如何產生的。愛因斯坦提出引力並不是一種真正的力，而是由於空間彎曲造成的。廣義相對論，解釋了引力在空間彎曲中有什麼樣的作用，而且提出空間會產生彎曲，是因為物體質量很大而時空曲率並且可以產生引力。
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    牛頓的萬有引力定律指出引力是萬物之間的相互作用，兩物體間的萬有引力只與它們本身的質量和距離有關，而與物體所在空間的性質、是否受到其他外力等因素無關，通常情況下萬有引力非常小，只有在質量巨大的星體間或其附近空間才有意義。
  • 引力波會最終證明愛因斯坦廣義相對論錯了嗎?
    愛因斯坦的相對論一般理論純粹是張量理論，其中物質和能量的存在僅指示空間如何彎曲，而空間彎曲僅指示物質和能量如何移動，但還有其他可能性。也可能存在引力的標量或矢量分量，這是許多嘗試對引力理論進行的擴展或修改引入的。儘管廣義相對論預測引力的速度必須始終等於光速，但許多其他的引力理論都為各種不同的事物引入了一系列有趣的可能性。
  • 愛因斯坦對時間和空間的理解
    在他的理論中,時間和空間並不是宇宙中單純的背景和舞臺;相反,它們在宇宙的每個動作中都是主要的參與者。他提出用新的方程來描述空間的幾何特徵以及光和質量在運行過程中可能發生的偏轉。這些方程改變了時間和空間的角色——宇宙有可能是隨時間演化的。這個由愛因斯坦新理論給出的難以置信的預言,甚至連他本人都無法接受。    在上帝對宇宙的策劃中,時間永遠是一個關鍵的角色。
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    在他逝世六個半月後，著名的理論物理學家愛因斯坦仍然被證明是正確的！除了在最極端的條件下測試廣義相對論外，他的理論中鮮為人知的方面也正在得到驗證。例如，GR預測重力和慣性通常無法區分，這就是所謂的引力強對等原理（SEP）。
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    目前有一種簡單修改過的（幾乎可以說是太簡單）理論能允許相對論和量子力學很好地共存：使用應力-能量張量的期望值，從而替代表示應力-能量張量的量子算子。這些數據可以代入到愛因斯坦的場方程中。這種方法被稱為半經典引力，而且它的效果不錯。除了大爆炸之後的瞬間或黑洞深處的奇點附近，半經典引力可以精準地描述所有地方。也就是說，我們永遠無法通過實驗來探索的地點和時間。
  • 時空扭曲是愛因斯坦相對論的內容之一,是這些原因造成的時間錯亂!
    時空扭曲，根據相對論的解釋，當一個有質量的物體體積趨於0時，其引力會達到無法想像的地步，從而改變空間，導致光都無法在其空間裡逃避，進而形成時空扭曲。愛因斯坦預言的時空扭曲現象最近被科學家們在中子星附近觀測到，中子星是目前人類在宇宙中可以觀察到的天體中密度最大的一種。
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    人造聲波赫洞溫度首次測得 有望證明霍金輻射理論的正確性 來源：科技日報 • 2019-06-04 15:33:23
  • 為什麼愛因斯坦的引力場方程中會出現圓周率?
    非歐幾何中的圓周率根據愛因斯坦的廣義相對論，我們並非生活在歐氏空間中。由於空間中存在物質和能量，這會引發空間彎曲。質量密度越高的物體，所造成的空間彎曲程度越大，表現出的引力越強。在彎曲的空間中，我們可以把圓的直徑定義為連接圓上兩點的最大測地線距離。
  • 科學家發現宇宙引力紅移現象,廣義相對論再次得到驗證
    只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。 在愛因斯坦完成廣義相對論之前，他就已經得出引力將會影響光波頻率和波長的結論。由於引力的作用，當向上行進遠離地表的時候光波會損失一部分能量，從而波長變長，頻率下降。 假設一個光脈衝從高處向下發出。
  • 愛因斯坦的相對論裡中彎曲空間是如何形成的呢
    宇宙是檢驗人類所發現物理定律的最嚴肅的法官 ， 被人們奉為金科玉律的牛頓三定律和愛因斯坦的相對論 ， 目前都被證明是不完整的，都不是無懈可擊的。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）。