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

2020-12-03 李論科學

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!下面就讓我們將時間倒回100多年前,再回到愛因斯坦1905年首次發表相對論之後的幾年。

廣義相對論的出現

相對論的出現徹底改變了我們思考時空的方式。(這個時候還不能稱為時空,時空的概念來自於1909年閔可夫斯基)。愛因斯坦在其相對論中還引入了一個速度不變的概念:光在真空中的速度,對於所有慣性觀察者都有相同的測量值。

但是從愛因斯坦的角度來看,狹義相對論還一個嚴重的缺點。因為狹義相對論沒有涉及引力的問題,那麼如何兼顧引力呢?愛因斯坦就需要找到了他的廣義相對論,可以平等對待引力和加速度。

現在想像一個觀察者在一個均勻引力場中下落。如果下落的觀察者沒有外部的事物作為參考(例如,地面或感覺到風),在引力場中觀察者將無法知道他們是在加速下落,還是在空中漂浮!也就是完全處在失重的環境下。如果一個觀測者處在一臺密封完好,並且均勻加速上升的電梯中,他也無法知道自己的運動狀態是處在靜止的引力場中,還是在加速運動。這兩個效果不論是對觀察者的感受,還是任何物理實驗都沒有區別。

而兩者的區別只是一個簡單的幾何變換。換句話說,一個處理加速系統之間幾何變換的理論必然是一個新的引力理論。這就是我們常聽說的加速度和引力的等效遠離,愛因斯坦後來把這種想法描述為他一生中「最快樂的想法」。這個想法也就誕生了廣義相對論。

我們能看到空間的扭曲嗎?

正如我們所知,愛因斯坦在1915年末,發表了他的廣義理論。(1905年的理論是一個涵蓋大部分慣性運動的特例,後來被稱為狹義相對論。)該理論既是引力理論,也是加速度理論,最終建立了一個框架:有質量或能量的物體會彎曲其周圍的空間,物體會遵循彎曲的路徑運動。我們確實可以看到,彎曲時空的引力作用,但我們為什麼看不到彎曲的時空呢?

空間雖說是個實體,但如果我們把周圍一切的事物都拿走,或者深處在黑暗的深空,我們能看到什麼?在我們的宏觀世界,真空空無一物,如果沒有事物發射或者反射光線我們什麼也看不到,很明顯空間並不會於光子發生相互作用。唯一能做的就是彎曲光線。

廣義相對論的提出也做了很多匪夷所思的預測,其中我們最熟悉、最神奇的就是大質量物體彎曲光線的預測,這個預測也在1919年的日食觀測中得到了證實。那麼彎曲光線的效應也會帶來另一項推測,那就引力透鏡效應,大質量的星系或星系團會在其周圍彎曲光線形成透鏡效應,並且扭曲周圍的空間。下圖:

上圖可以清楚地看到背景星系的扭曲,因此我們可以通過大質量星系團造成的星光彎曲看到空間形狀的扭曲。那麼我們為什麼在地球上看不到空間的扭曲呢?有兩個因素。

首先地球的質量太小了,根本檢測不到因為引力造成的光線彎曲;還有就是我們生活在地球上,如果真的因為引力造成了光線略微的彎曲,由於沒有參考的物體,我們還是看不到。

那我們有沒有機會看到空間的扭曲呢?

有!我們都知道一種東西叫引力波,它是空間的漣漪,就跟池塘的水波一樣,水波經過的地方就會有波峰波谷,水面上的物體會隨著波浪起伏。引力波也一樣,會造成物體在一個方向上被拉伸,另一個方向上被壓縮,並且是在一伸一縮中來回變化。

不過引力波這東西十分微弱,遙遠黑洞合併,中子星膨脹造成的引力波衝擊地球時,只會造成五公裡長的雷射探測器的長度在原子核半徑的千分之一上變化。

因此,空間扭曲在宇宙中的引力透鏡、星光偏轉中隨處可見,但在地球上我們看不到,但不能說不存在。我們每天都在引力波中來迴蕩漾。

相關焦點

  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    我們都知道是光把信息傳達給我們,就像你現在看著電腦或者手機,是因為眼睛接收到了電腦和手機發出的光。如果宇宙中有一束光沿著直線傳播,就像一輛車在一條筆直的馬路上行駛著。當馬路有彎道時,那麼汽車就需要轉彎,如果我們不知道中間有彎道,認為汽車是走直線回來的,那麼推測汽車起始位置就會出現錯誤。
  • 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 。
  • 三維世界看不到,引力可能存在於四維空間中
    普遍認為,引力存在於時空中,即四維空間,在人類熟悉的三維世界看不到,因而探索發現它的難度較大。屆時,將發射三個LISA探路者,彼此距離達百萬公裡,在太空中形成一個等邊三角形,驗證引力波如何影響物質發生變化,以證明引力波的存在。
  • 彎曲時空,引力退散
    除了量子引力暫且不討論之外,其他的不均勻引力場都有一個共同的性質:當我們看越小的空間尺度時,這個不均勻引力場的不均勻性也越小;當我們看足夠小的空間尺度時,不均勻性就可以忽略了,我們看到的其實是近似均勻的引力場。舉一個例子,空間站上的太空人以一個相當大的跨度去看地球的引力場,他看到地球的引力場是向著地心的,是不均勻的引力場。
  • 質量與引力,誰讓空間彎曲了?相對論認為是質量,弦論認為是引力
    這是大多數朋友的理解,但其實引力和空間彎曲都是一個現象的兩種不同說法,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,時空是一個不可分割的整體,所以我們在解釋「引力」與空間之間的關係時必須要和時空一起說明,否則這個觀點就是不完整的。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 科普:為什麼物質可以使空間扭曲並產生引力?
    在牛頓力學中,萬有引力是普遍存在的一種自然現象。但是牛頓為了研究「引力何以可能」的問題就陷入了難以跨越的障礙之中。牛頓力學只是告訴引力就是普遍的,沒有為什麼!牛頓晚年為了解決引力產生的因果關係也不得不藉助上帝。
  • 月球與地球之間隱形的紐帶-引力:為什麼我們生活的地球充滿了吸引力
    我們的月亮圍繞地球運動,是因為它們具有的強大質量所導致的一種相互作用的萬有引力。由於月球與地球之間的質量相差不是很遠,因此月亮圍繞地球轉動的質心並不與地球的地心重合,而是稍微偏離了地心。原來的氣態物質在宇宙中的引力作用下開始凝聚並形成恆星——以及接下來的恆星聚集成星系——因此引力是形成宇宙中許多大型結構的原因。重力具有無限的範圍,不過其影響效果在更遠的物體上將會變得越遠越弱。
  • 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。
  • 黑洞引力能夠使周圍時空彎曲,在黑洞內呆一小時,地球過了多久?
    如題,如果一個人在黑洞中過了一小時,那麼地球上過了多久?這個問題其實很難有一個十分明確的答案,但起碼我們要知道,黑洞內時間流逝的速度與地球上時間流逝的速度的不一樣,黑洞內部極強的引力會使黑洞內部的時間被無限放慢。
  • 為什麼平方反比普遍存在,為什麼引力不能納入量子力學?
    正因為我們觀察到的宇宙是3維的,所以兩個物體之間的引力大小才與它們距離的平方成反比。假設我們用「力線」來表示地球對周圍物體的引力:從地球中心向四周均勻分布著力線。力線的密度越高(穿透一定面積的線數越多),則表示該處的引力越大。接下來分別在距離地球中心不同的位置放置相同面積的四邊形,其距離分別為地球半徑的1倍、2倍和3倍。
  • 宇宙總共有「十一維」,那為什麼我們看不到其它維度?你知道多少
    宇宙總共有「十一維」,那為什麼我們看不到其它維度?你知道多少?我們目前認知的空間是典型的三維空間,在此空間中存在長寬高三個維度。在第三維度中,時間對於人類來說具有高度的不可逆性,即我們無法穿越回過去,也無法提前去往未來,擺在我們眼前只有當今。
  • 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。
  • 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?
    假如有一種生活在二維世界的生物,比方說無限扁的螞蟻吧,那它們肯定也跟我們一樣,無法直觀地去觀察自己所處的世界到底是什麼形狀。如果有隻二維螞蟻科學家跟大家說,我們生活的世界根本不是一個平面,而是一個曲面,那大家肯定不信。那有沒有什麼辦法,能讓二維螞蟻科學家驗證自己的說法呢?還真有。平面幾何裡有個常識,三角形的三個內角之和等於180度。但請注意,這個規律,只在平面幾何中才成立,在曲面中不成立。
  • 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。
  • 宇宙中最大質量恆星引力有多大,可以拉住自己發出的光嗎?
    光速為宇宙最高速度,但會與引力發生作用。引力是什麼?愛因斯坦告訴我們是時空彎曲,是物體質量的基本屬性。意思就是,凡有質量的物體,都會對自己周邊時空產生擾動,這種擾動就是會彎曲周邊的時空,產生類似漩渦或者陷阱的場,這種導致物體相互靠攏和掉進對方陷阱的趨勢,表現出來的現象就是相互吸引的引力。
  • 為什麼宇宙空間是彎曲的,而不是平坦的呢?
    三維空間如果是四維空間的「一層膜」,那也有同樣特性,現沒有對應的專用詞而借用二維的「平」來表示。愛因斯坦廣義相對論揭示三維空間曲率與引力正相關,所以平滑的空間引力應為零,但現實宇宙不是完全的平。量子機率空間是量子化的;無約束的(基本沒有)量子機率空間量子化在有理數集上;有約束的量子機率空間量子化在有限循環集上。
  • 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?
    愛因斯坦的廣義相對論為我們描述了一種不同於牛頓定律的新的引力觀,根據愛因斯坦的觀點,引力實際上就是空間和時間的彎曲。在牛頓的引力理論裡,太陽將地球限制在固定的軌道上,依靠的是一根「看不見的繩子」。似乎從太陽或者地球生出了一根隱形的「引力之繩」,將兩者拴在了一起。