為什麼質量會彎曲空間,空間中究竟是什麼被彎曲了?

2021-01-15 騰訊網

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 。但請注意,一個沒有質量的光子也會產生引力,就像任何一種能量一樣,不僅僅只有質能。

此外,這種能量實際上不會使周圍的空間彎曲,而是會使其變得不再是均質的。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。兩者的區別至關重要。」 空間不是均質的,且這樣的非均質是非線性的,所以測量圖和度量標準都是彎曲的。度量標準與測量本身有關。

要注意的是,地球本身就有曲率這件事會引起一些混淆。要想使思路變得清晰起來,我們可以通過「放大」的思想,就像這樣:現在你開始想像空間是非均質的,而非在引力場中彎曲。請注意,應力能量張量與方向壓力有關,並且空間被明顯地「向外推」,這種影響隨著距離的增加而減小。因此,下面的正方形是扁平的。這是只用了正方形而不是球體來描繪裡奇曲率,因為測地線球的體積偏離了標準球的體積。

至於空間中到底是什麼被彎曲了,最好說到底是什麼被改變了,答案就是空間本身。空間並不是一片虛無的。愛因斯坦認為它是一種如幽靈般的有彈性的東西,並且可以被施加壓力。至於能量是如何做到這一點的,沒有人確切知道。讓我們把空間想像成一個被無數條線穿過的透明果凍,然後用皮下注射針在中間注射更多的果凍。周圍的果凍被施加壓力,產生類似於引力場的東西。但值得注意的是,你是把果凍注射到果凍裡。空間和能量之間似乎有著某種深層的聯繫,好像在某種深層的層面上,它們是同一件東西。

但是這些都是形象化的比喻,不能按照字面的意思來理解。根據廣義相對論,一個有質量的物體可以在其周圍產生引力場,處於引力場中的有質量物體會受到引力的作用。壓力對發生在場中的動作的速率產生影響,在廣義相對論中稱為引力時間「膨脹」(因為時間不是實體,所以膨脹一詞加了引號)。質量聚合體表面產生的場是最強的,因此越靠近表面,物體(時間)的速率越慢。四個動作分別是:合成、衰減、振蕩和空間位移(線性運動)。

廣義相對論並沒有解釋質量是如何產生引力場的,也沒有提供這樣的機制,更沒有說明引力場的能量如何減緩這些運動的速率,但它卻有對線性運動幾何效果的描述。在引力場中,當運動的物體靠近產生該場的質量聚合體表面時,面朝表面的那一面必定會比遠離表面的那一面運動得慢,這種速率的差異會使物體沿著廣義相對論所稱的黎曼測地線運動。測地線在我們看來是彎曲的,這是因為我們用歐幾裡得的平面性和直線性來描繪空間,但在現實世界中並不存在這些條件。

簡而言之,以上所說的就是時空的曲率。時空是一個抽象的概念,它既不是一種物質,也不是一種力,卻包含了物體和力的所有運動。在廣義相對論中,關於時空曲率的數學方程被稱為場方程,而不是時空方程,因為它們依託於引力場。

作者:quora

FY:忙碌的北門

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