本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
我們知道,根據狹義相對論,真空中的光速C是任何物體運動的極限值。但是事實上,廣義相對論中,光速也是任何物體運動的極限值。
那麼既然如此,廣義相對論中的「廣」字體現在哪裡呢?
廣義相對論在推導過程中使用了「等效原理」。
》引力場的局部和做加速運動的慣性系完全等價。
因為慣性系要服從狹義相對論,所以廣義相對論中,光速仍然是萬物運動的極限。
廣義相對論解決狹義相對論沒辦法解決的幾個問題:
第一,描述了大質量物體對於時空曲率的影響。
第二,解釋了大質量星體在燃燒完以後潰縮為黑洞的過程。
第三,描述了宇宙的誕生與演化過程。
大質量物體對時空曲率的影響,表現為讓通過附近的光線彎曲,彎曲的光線可以繞開前面的遮擋物,使後面的物體被看見;光線在離開引力場的時候,頻率會降低,產生紅移現象;由於星體的旋轉會對周圍的時空產生拖曳效應。
目前的科學實驗,都在極高的精度上驗證了上述廣義相對論的推論。
》根據廣義相對論,空間必須依賴於物質的存在而存在。
因為物質之間的聯繫以光速為界,所以物質對於空間的影響也以光速為界。
當兩個黑洞合併的時候,一部分能量會以引力波的形式向太空中釋放。因為引力波是由於時空彎曲產生的漣漪,所以引力波的速度也是光速。
美國雷射引力波天文臺對多起雙黑洞合併事件進行了測量,證實了引力波的傳播速度是光速。
》1929年,美國天文學家哈勃發現了驚人的現象!
哈勃在用望遠鏡觀測宇宙空間中星系的時候發現:在遙遠的宇宙空間,所有的星系都在做遠離地球的徑向運動,星系相對於地球的運動速度,等於星系、地球之間的距離乘以一個常數。
這個常數被稱為哈勃常數,為72公裡每秒/百萬秒差距,相當於0.022米每秒/光年。
在一光年的尺度上,這個速度非常的微小,但是只要乘以足夠長的距離,這個數字就會擴張的非常大。
我們一般說,可觀測的宇宙半徑是450億光年。在450億光年外的星系,飛離地球的速度相當於光速的兩倍。
我們看到的這些星系的影像,實際上是138億年前發出的。
也就是說宇宙邊緣現在是什麼樣子,我們人類永遠也不知道。
》廣義相對論描述的宇宙大爆炸,與真實的宇宙擴張有出入。
我們所處的三維空間的宇宙附著在一個高維度的超球體宇宙上。
在銀河系中能夠找到的最古老的恆星大概是136億歲,而宇宙中第1顆恆星被點亮的時間,大約在宇宙誕生以後2億年。所以我們這樣反推宇宙的年齡是138億歲。
因為宇宙現在是在不停的擴張,所以把時間軸回滾到138億年前,按照正常的推論,它應該壓縮成一個點。
這個點就是宇宙大爆炸的起點。
廣義相對論描述的宇宙大爆炸,是物質的大爆炸。就像一個普通的炸彈那樣的爆炸。
按照廣義相對論,空間的擴張依賴於物質的擴張。然而實際上並不是這樣。
但是現在,觀察到的現象可以認為:空間可以脫離物質單獨存在,宇宙的擴張就是真空在不斷生長的過程。
廣義相對論描述的是:物質的運動規律,在任何坐標下運動規律的不變性。
》宇宙給愛因斯坦出的難題:空間在成長,坐標軸在不斷拉伸。
這個拉伸的速度就等於哈勃常數,一光年的尺度,一天可以延長1.9公裡。
從表面上看這是物理的困境,更深層次的意義上是數學的困境。因為從數學誕生第1天開始,函數的坐標軸就是靜止的。
這說明我們的宇宙存在著更深層次的規律:宇宙即在維度上分層,又在邏輯上分層。
縱觀人類的文明發展史,所有的科學研究都要在哲學原理基礎上才能展開。
》在經典物理學裡面,還有一個隱含的原理:定域性原理。
定域性原理是指:物質的運動只受周圍的物質影響。這個原理,屏蔽了外星人幹擾人類物理實驗的可能性。
定域性原理在量子力學裡面被量子糾纏所打破,但是在宏觀物體的運動中仍然適用。
這也說明宏觀世界和微觀世界之間的區別不只是能量的連續與否,還有物理學原理的適用性問題。
定域性原理的適用性範圍問題,宇宙的超光速膨脹問題,不僅僅是愛因斯坦的難題,也是哲學家和數學家的難題。