空間是彎曲的，那麼太陽對空間的彎曲形狀是怎麼樣？

2020-10-15 科學新世界


我們身處的太陽系，或許還有很多謎題等待人類去解開。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。


要了解太陽對周遭空間的彎曲情況，首先來看看美國曾經做過的一個實驗。1975年，美國分別發射了海盜1號和海盜2號火星探測器，它們於1976年著陸於火星。1976年至1977年，哈佛大學的羅伯特·艾森伯格和歐文·夏皮羅領導的一個小組，向海盜1號和海盜2號發送無線電信號。它們收到信號後將其增強，再將新的信號發送回地球。這樣，就可以測量信號發出和返回的時間間隔。


​由於地球和火星在各自軌道上環繞太陽公轉，所以無線電信號所經過的路徑是變化的。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。光太陽質量對空間造成的彎曲時50公裡，如果是最大的恆星呢，盾牌座UV，實際空間彎曲的情況或許更嚴重。


隨著空間飛行器與太陽、地球的相對位置變化，艾森伯格和夏皮羅還推斷出了空間彎曲的形狀，其結果那樣，是獨立的不變的存在，而是會隨著物質一起演化。有了這個基礎，我們就可以很好地理解哈與相對論的預言十分吻合。廣義相對論使人們更深刻地理解了空間與時間的本性，它們並非如經典時空觀理解的勃定律揭示的宇宙圖景了。

相關焦點

  • 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。
  • 一篇關於彎曲空間的演講稿
    你可以把這張紙彎成圓柱形、圓錐形，或者甚至彎成更複雜的形狀，但是，畫在這張紙上那個三角形的三個角之和，必定永遠保持等於兩個直角。這種面的幾何性質不隨上述形變而改變，因此，從「內在」 曲率的觀點看來，形變後所得到的各種面（儘管在一般概念中是彎曲的），事實上是和平面一樣平坦的。
  • 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。
  • 二維空間彎曲會讓三角形內角和不等於180度,三維空間彎曲呢?
    這很正常，不識廬山真面目，只緣身在此山中，人類自己就生活在三維空間之中，是不可能真正形象直觀地去認識空間的。但即便如此，我們還是可以通過一些類比和實驗，來探究一下三維空間的形狀。我們先把目光放低一個維度，去看一下二維世界的形狀。
  • 愛因斯坦的相對論裡中彎曲空間是如何形成的呢
    要不，他就可能會認為，這條船被限制在一塊特殊的空間裡面。這塊空間是彎曲的，而且彎曲成一個球形，從而迫使這條船走出這樣的路線來。換句話說，我們必須在一個力和一種空間幾何形態之間作出選擇。你大概會認為這是一種想像出來的局面，但實際上並非如此。地球這顆行星是沿著橢圓路線繞著太陽運行的，正像一條船在某個看不見的曲面上行駛一樣。
  • 光線會因空間繞道而行，空間彎曲究竟有什麼樣的魔力
    宇宙中常常見到的種彎曲空間叫作黎曼空間。我們之所以感受不到空間彎曲是因為，在地球上空間彎曲是可以忽略不得。但是我們可以設想一下，假如空間彎曲成一個密封的球體，我們從中不停地向前走，一定會走回到我們最開始的位置。這種情景就像是地球圍繞著太陽運轉一樣，所以說彎曲空間是存在的。
  • 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。
  • 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。
  • 彎曲的時間和空間:波動
    通過微積分研究局部琴弦受力和運動之間的關係，達朗貝爾在1746年發現波動傳播就是一種空間和時間之間相互彎曲的動態平衡。時間和空間相互彎曲，這個概念其實非常值得花上幾分鐘體驗一下。如果你的大腦中開始懷疑空間彎曲的概念，也對時間彎曲有點興趣了，接下來或許就會問時間彎曲和空間彎曲兩者具有什麼樣的關係。
  • 《福布斯》:最小的黑洞彎曲空間最劇烈,原因是什麼?
    質量彎曲空間，彎曲的空間使光發生偏斜，但是即使對於我們所知道的最集中的質量，偏斜量也很小。1919年的日食使遠處的恆星的光被太陽偏斜，導致光路彎曲不到千分之一度。這是廣義相對論的第一個觀測結果，它是由我們太陽系中最大的質量引起的。
  • 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。
  • 彎曲的二維空間存在嗎?該怎麼理解?是否需要三維空間去容納?
    恰好，這樣的二維空間就可以用來回答文章標題裡的前兩個問題：這種二維空間是彎曲成一個球面的形狀，如果是一個靜態球對稱的史瓦西黑洞的視界面和光子球層，將是一個標準的二維球面，在這個球面狀的二維空間裡，曲率各處相同最終完美閉合。
  • 質量到底彎曲了空間中的什麼?
    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。
  • 極簡科普:廣義相對論第一講,空間是如何彎曲的
    平面上的中國和俄羅斯地圖比較球面上的中國和俄羅斯地圖比較造成這種現象的原因，是把一個曲面上的形狀，繪製到平面上造成。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。
  • 地球有引力,為什麼生活中看不到彎曲的空間?可能被我們忽視了
    引力是時空彎曲，我們能看到物體被地球引力吸引，為什麼看不到「彎曲狀態的時空」？首先我們要知道自愛因斯坦以後，空間是一個切實存在的實體，它能大能小，能表現出各種不同的曲率。而且你眼前能看到的任何事物的形狀，空間都可以表現出來。其實彎曲的空間隨處可見，只是我們沒有察覺！
  • 九，時空彎曲的實質
    比如，在宏觀領域，太陽和地球形成的能量系統，太陽和地球之間的距離為該能量系統的系統空間，地球和太陽的動能表示該能量系統的一種形式的能量。以太陽為參照，地球動能的增加必定帶來太陽和地球之間距離的減小，即該能量系統的系統空間的減小；相反，地球動能的減小必定帶來太陽和地球之間距離的增加，即該能量系統的系統空間的增大。
  • 《時間彎曲》
    我們可以把時間彎曲嗎？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。
  • 引力能讓光線發生彎曲,那麼太陽對應的引力透鏡焦距有多遠?
    理論上任何一個天體的引力都能讓光線發生彎曲，只是彎曲的程度不一樣而已，以我們的太陽為例，在日全食之時，就會發現太陽附近的星星位置發生了改變，而太陽引力透鏡的焦點，大約距離太陽1000個天文單位（0.016光年）。