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以下内容来自《破解引力:广义相对论的诞生之路》一书。
“物质告诉时空如何弯曲,时空弯曲告诉物体如何运动”——这是解释广义相对论最著名的一句话。但是,完全准确理解这句话并不容易,常常出现多种误解。
下面就来详细澄清一下常常出现的多种误解方式。比如大家经常看到的,类似下图的这种解释方式就不准确。
首先、上图中这块凹下去的布面只是代表空间的弯曲,并没有包含时间的弯曲。而时空弯曲是即包含有空间弯曲,也包含有时间弯曲的。
其次,不管是空间的弯曲,还是时间的弯曲,它们的弯曲程度都是非常非常微小的。比如科学家让一个陀螺仪围绕地球旋转5500圈之后,纯空间的弯曲只让陀螺仪的方向偏转了0.0018度。
如此微小的弯曲根本无法让卫星围绕地球旋转,也根本无法让苹果掉下来。所以、采用这种凹下去的布面 去解释说明“弯曲时空告诉物体如何运动”是不准确的。让一颗卫星围绕地球旋转,还有让苹果掉下来的真正原因都是来自时间的弯曲。
那么,时间又是如何弯曲的呢?
爱因斯坦发现,在越靠近地面的地方钟表走得越慢,或者说时间流逝得越慢。这就导致在越靠近地面的地方,同一段时间需要耗费更多的时间流逝量才能跨越这段时间,而耗费更多的时间流逝量,就代表这段时间越长。也就是说,对于同一段时间,在越靠近地面的地方,这段时间就会越长,而同一段时间长度的这种改变就是时间的弯曲。
另外,爱因斯坦还发现在这个时间弯曲之后的曲面上,苹果总是走直线。但这条直线看上去却表现为一条曲线,而这条曲线正是代表苹果下落的过程。尽管时间的弯曲程度也是非常微小的,但时间弯曲在表现出来的时候会被放大光速平方倍。所以时间的弯曲会表现出非常明显的效果。这就好像在原子弹中,一点点微小的物质就会释放出巨大的能量一样。
所以,正是由于时间弯曲所产生的效应被放大了光速平方倍,时间弯曲才会导致类似苹果掉下来,卫星围绕地球旋转这些非常明显的运动现象。
而纯空间的弯曲所产生的效应没有被放大光速平方倍。
所以,纯空间弯曲对物体运动产生的影响仍然是非常微小的。比如说,纯空间的弯曲会让卫星轨道产生微小的进动,下面就采用非常直观的图像解释一下其中的原因机制。
几年前向大家解释过,纯空间的弯曲本质上就是地球将空间的真实长度变长了,这就导致同一段空间存在两种长度。一种是看上去的长度,另外一种是真实长度。这样一来,空间的面积也存在两种面积了,一种是看上去的面积大小,另外一种是真实的面积大小。
假设空间没有弯曲,一颗卫星围绕地球旋转一定角度所扫过的扇形面积为500。那么当纯空间弯曲之后,这块扇形的真实面积就变大了。比如说变大为600,这就导致卫星看上去需要扫过更大的角度才能形成600的扇形面积。也就是说,当空间弯曲之后,卫星看上去会旋转更大的角度,而多出来的这部分角度就表现为轨道的移动,也就是进动现象。
不过,纯空间弯曲所导致的这种进动只贡献了三分之二。另外三分之一的进动还是由时间弯曲所导致的。
另外,纯空间的弯曲也会导致光线弯曲。详细解释说明如下,由于纯空间的弯曲本质上就是地球将空间的真实长度变长了。这让同一段空间就存在两种长度。一种是看上去的长度,另外一种是真实长度。
比如下面左图表示两条路径看上去的长度,而右图表示这两条路径的真实长度。左图中看上去是弯曲的那条曲线的真实长度反而更短,所以它才是真实的直线。而光就是选择这条直线来传播的,只是这条真实的直线看上去是弯曲的。
这就是空间弯曲导致光线弯曲的真正产生机制。这也是大家之前常见的、用来解释光线弯曲的图。
不过,这里同样也存在一种误解,那就是把这张弯曲图错认为是光线的全部弯曲。实际上,纯空间弯曲所导致的光线弯曲只占光线总弯曲的一半。另外一半弯曲是由时间弯曲所导致的。
也就是说,地球会像吸引一颗苹果一样去吸引一束光,从而导致光线弯曲。但这种吸引导致的弯曲只占光线总弯曲的一半。
另外,大家之前还常常采用下面这张图中所示的解释方式来说明光线为什么会弯曲。
但这种解释只包含了时间弯曲对光线弯曲产生的影响,并不是纯空间弯曲所导致的结果。也就是说,如果采用下面左图中的解释方式去说明右图中所示的结果,这也是错误的理解方式。因为左边的弯曲是由时间弯曲导致的,右边的弯曲是有空间弯曲所导致的。
总之,“物质告诉时空如何弯曲,弯曲时空告诉物体如何运动”,这句话并没有大家想的那么简单,那么容易理解。之前大家的理解都是比较混乱的,存在很多误解。如果想要详细了解其中的细节,欢迎大家阅读学习《破解引力》这本书,或者观看后续更新的视频。
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