時空彎曲:時間與空間原來是不可分割的
2021-01-16 建世谷新朋友點擊上方建世谷三個字關注我們
1、在狹義相對論中，我們知道，運動的時鐘變慢。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？
2、假設在太空中有一個巨大的圓盤，圓盤繞圓心在做勻速圓周運動。小紅和小明站在這個圓盤上，小紅站在圓盤中心，小明站在圓盤邊緣的內壁。小紅在圓心隨著圓盤旋轉，沒有加速度，她應該處於失重狀態。
小明站在圓盤邊緣，他隨著圓盤在做圓周運動，是加速運動。圓周運動會有一個離心力，這個離心力就好像地球引力一樣，讓小明站在圓盤內壁。如果適當地調節圓盤的旋轉速度，讓它產生的離心力與地球重力相等，那麼小明幾乎分辨不出來自己是在地球上還是在太空中的圓盤上。
3、在狹義相對論中，運動的時鐘變慢。小明在圓盤邊緣，有線速度，他的時間肯定會比小紅的時間慢。根據等效原理，引力場就是加速度，可以認為小明並未做運動，他只是比小紅所處的環境多了一個引力場。那麼小明的時間變慢，就可以認為是引力場讓時間變慢了。
此時，如果小紅從圓心往外走，只要她離開圓心，她就會隨著圓盤做圓周運動，就會有一個加速度，這個加速度產生的離心力會讓小紅好像感受到一個向外的吸引力，類似於地球引力。並且，她的時間會變慢，越往外走，時間變得越慢。
小紅往外走，可以看成所處位置的引力場越來越大。愛因斯坦認為，小紅的時間變慢，實際上是引力場使時間發生了彎曲。在引力場的不同位置，時間的流逝速度是不一樣的，在引力越強的地方，時間流逝得越慢，在引力弱一點的地方，時間就流逝得快一點。
4、越靠近大質量物體的地方，這個位置的引力場越大，譬如在我們地球上，山腳的引力場比山頂的引力場要強，所以從理論上來說，在山腳下時間應該過得慢一點。
這個情況其實比較複雜，由於地球自轉，山頂上的時鐘旋轉半徑比山腳下的時鐘旋轉半徑大，所以山頂時鐘的旋轉線速度應該比在山腳時鐘的線速度大，根據狹義相對論中運動讓時鐘變慢的原理，那麼山頂時鐘應該比山腳時鐘慢。
那到底是山腳的時間過得慢，還是山頂的時間過得慢呢？有關計算和實驗表明，引力改變時間的效應更大一點，科學家們已經做了實驗來證明，他們把相同精度的鐘放在不同海拔的地方，實驗結果說明海拔高的地方的時鐘走得快一點，所以山頂的鐘要比山腳的鐘走得快。
5、再思考，小明如果拿著尺子測量圓盤的周長，根據狹義相對論的尺縮效應，運動的尺子變短。既然尺子變短了，那麼小明量出來的周長應該要小於圓盤本來的周長。再讓小紅用尺子測量圓盤的直徑，由於尺縮效應只發生在運動方向上，而在垂直於運動方向的圓盤直徑上不會發生變化，小紅量出來的直徑還是原來的直徑。
問題來了，圓盤直徑還是原來的直徑，周長卻小於原來的周長。在數學上，圓的周長除以直徑等於圓周率π。但在這裡，算出來的圓周率應該小於π，這是什麼原因？
這就好像我們在籃球表面畫了一個圓，這個圓畫在曲面上，直徑是彎曲的，所以圓周長變小了。愛因斯坦認為，引力場讓空間發生了彎曲，引力場越大，空間彎曲得越厲害。
6、在小紅向外走的過程當中，可以看成是她所處位置的引力場越來越強。她的時間彎曲了，變得越來越慢，她的空間也彎曲得越來越厲害。時間彎曲了，空間也彎曲了。時間和空間有什麼關係嗎？
愛因斯坦認為，時間與空間是個統一的整體，叫做時空。一直以來，我們所處的世界，都被認為是一個三維的空間和一個一維的時間，時間與空間都被認為是兩種不相關的東西。但在愛因斯坦這裡，我們其實是處在一個四維的時空，時間與空間是不可分割的。
時間彎曲，空間彎曲，實際上是引力場讓時空發生了彎曲。引力場越大，時空彎曲得越厲害。
拓展閱讀
1、等效原理：引力原來跟加速運動是一樣的
2、光線彎曲：光是怎麼變彎的
3、空間彎曲：空間是怎麼變形的
4、光速不變原理：我們能夠追上一束光嗎
5、蟲洞：時空旅行的秘密
6、時間膨脹：運動的時鐘變慢，要想活得久還得靠運動
7、空間收縮：運動的尺子變短，整個世界都變得苗條起來
8、雙生子佯謬：到底是哥哥年輕還是弟弟年輕
9、長棍佯謬：1米長的棍子放進0.5米長的盒子
10、相對性原理：你能確定你是運動還是靜止的嗎
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相關焦點
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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。 -
時空彎曲是廣義相對論核心,理解了空間彎曲,如何理解時間彎曲?
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。 -
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。 -
彎曲時空，引力退散
最後，我們再把空間中的每一點通過坐標變換，變回到以前的坐標，這樣我們就知道了在一個所謂的引力場當中，小球、光線、電磁場是怎麼運動的。關鍵就是分解成體積元，分別應用等效原理，最後再變回原來的不均勻引力場。 -
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。 -
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。 -
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
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。 -
萬有引力的本質是時空彎曲嗎?
愛因斯坦的時空彎曲論，反映的仍是現象，並非本質。何為本質?牛頓與愛因斯坦都未涉及。愛因斯坦的時空彎曲一、宇宙為什麼需要萬有引力?沒有萬有引力就沒有時空，就沒有宇宙的生命，所以，運動與萬有引力是一對平衡力，二者的平衡維持著宇宙的生命。這是宇宙需要萬有引力的本質，而不是牛頓與愛因斯坦反映的科學現象。二、萬有引力與時空彎曲的關係假如沒有萬有引力，物質的運動將保持勻速直線運動，四散而去。 -
有意思的「四維空間」和「四維時空」,很多人混淆了,不一樣的世界
四維時空又叫做閔可夫斯基時空，這個人是愛因斯坦的老師，是閔可夫斯基最開始將愛因斯坦和洛倫茲的理論重新表述成3+1維時空，也就是三維空間+一維時間，愛因斯坦期初還不認同這個觀點，但時候後來研究廣義相對論的時候發現這種表述是多麼的重要。四維時空的誕生意味著「時間」和「空間」是不可分割的整體。而科學家，把四維空間以及高維空間，用來裝這世上已發現的自然定律。 -
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。 -
《時間彎曲》
因為所有的科技都是以人的好奇心驅使進行的，如果把宇宙中的星系和其他大質量物體，作為一個物理形態上的時間引力透鏡，是否就物理形態的時間進行大質量的彎曲，並且進行物體質量和物理圖像的強弱放大或縮小。在理論數據上如果可以達到這樣的時間彎曲，而且也出現強弱變化，那麼這個時間的質量可能導致物體質量空間的放大後，分裂成多個圖標空間。或許是戲劇性的，也許是悲劇性的結果。 -
九，時空彎曲的實質
所謂「時空彎曲」其實是空間和能量相互之間一一對應關係和空間變化和能量變化相互一一對應關係的表現，「時空彎曲」也許不是真實存在。 「時空彎曲」只是能量與空間一一對應關係實現的表現，「時空彎曲」只是能量變化與空間變化一一對應關係實現的表現。因為能量與空間一一對應關係實現的表現和能量變化與空間變化一一對應關係實現的表現為能量與空間的「相互轉換」對稱關係。 -
「四維時空」和「四維空間」有啥區別？沒區分開說明你不懂相對論
最近所有文章我都是圍繞廣義相對論中的「時空彎曲」概念來展示相對論核心，其中談到了時空彎曲是能以光速c傳遞到遠方的，這就是引力波的傳遞。但是不少網友仍然沒明白「四維時空」和「四維空間」的區別，所以本期我就針對這個問題來重點討論。 -
時空是平直的，還是彎曲的？時空穿越應以何種形式實現？
單從字面上來理解，時空就是時間與空間，這是正確的，因為時間與空間本就是不可分割的一個整體。在人類的科學發展過程中，先後出現了兩種截然不同的時空觀，第一類時空觀是以牛頓為代表的，他認為時空是平直的。在牛頓的理解中，時間與空間是平直的，且時間就如同一條湍急的河流，所有人置身其中，只能隨波逐流一路向前，而不能倒退。 -
質量使空間彎曲的原理是怎樣的?
此外，這種能量實際上不會使周圍的空間彎曲。它只是使空間不均勻。1920年，愛因斯坦提到：「這種時空變異性的相互關係是時空標準的相互關係，『空的空間』在物理關係上既不是均勻的也不是各向同性，這一事實迫使我們用十個函數來描述它的狀態。我認為，這最終改變了空間是空的觀點。」這個非均勻空間被建模為彎曲時空，非均勻真空是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是彎曲的。 -
「四維時空」和「四維空間」有啥區別?沒區分開說明你不懂相對論
最近所有文章我都是圍繞廣義相對論中的「時空彎曲」概念來展示相對論核心，其中談到了時空彎曲是能以光速c傳遞到遠方的，這就是引力波的傳遞。但是不少網友仍然沒明白「四維時空」和「四維空間」的區別，所以本期我就針對這個問題來重點討論。 -
如果突然把天體挪走,時空還會保持彎曲的狀態嗎?
彎曲時空物質告訴時空如何彎曲，彎曲的時空告訴物質如何運動這是愛因斯坦廣義相對論背後的基本原理，它第一次把引力現象與時空和相對論現象聯繫在一起。在宇宙的任何地方放置一個質量體，它周圍的時空將會彎曲。但是如果把這個質量體拿走，那是什麼導致了彎曲的時空快速恢復到原來未彎曲的狀態？為什麼時空不會保持彎曲的狀態？在愛因斯坦出現之前的幾百年裡，牛頓的萬有引力定律是最好的引力理論。 -
質量導致空間彎曲，而彎曲的空間又決定了物質的運動
近年來最偉大的科學發現之一——引力波當看到我們對自己的星球做了些什麼後，我覺得智慧這兩個字很值得商榷，在地球這個小小的星球上人類發展起足夠先進的技術來探測這些微弱的振動信號，終於在美國東部時間除了科研成就，基普·索恩這位具有超凡魅力的科學家，還曾因為一些意識而聞名，他曾經和他的朋友史蒂芬霍金就黑洞問題上打賭，並贏得了對方為他訂閱的雜誌《閣樓》，他還擔任過電影《星際穿越》的科學顧問，這部電影的設定同引力波密切相關，而且引力波這個概念的出現時間要更加的久遠 -
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。 -
在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
一、萬有引力是時空彎曲的表現二、何為時空三、光被「掰彎「了萬有引力是時空彎曲的表現什麼是萬有引力，最早是牛頓告訴我們的，把蘋果從樹上拉下來的力，就是萬有引力。萬有引力是兩個物體的質點互相吸引產生的力。空間、時間、光光是時間和空間共同的尺子，比如「1秒」是光在真空跑了「30萬km」所花的時間，同樣我也可以說，「30萬km」是光「1秒」行駛的距離。如果仔細看的話，會發現上面我對床單的比喻是空間，不是時空，時間與空間是密不可分的。我們都知道光正常情況下是沿著直線傳播的。