对相对论的一个误解:光在引力场中会沿曲线传播

首先我们生活的宇宙是一种四维弯曲时空,需要注意的是弯曲的是时空而非空间。任何物质的运动都是一条四维的轨迹,由空间坐标三个分量xyz和时间坐标分量t构成。

广义相对论这样解释引力效应:自由粒子在弯曲四维时空中沿测地线(一条四维的轨迹)运动,这个测地线从几何角度也是弯曲时空中最短的线群的一条。当投影到三维空间(投影就是把测地线方程写成空间坐标与时间坐标关系),那么就是引力效应,比如苹果加速下落,地球围着太阳转等。

把时空弯曲比喻成一个东西把平面压凹是十分不恰当的,因为时空弯曲是无法用图像表达的,只能用数学描述。无法用实际的物体模拟去表达,是因为我们本身就是四维生物,我们目前观测的所有物质都是四维的,我们的观测仪器也只是输出四维的结果。

如果要真看什么是四维弯曲,我们必须在五维或更高维的尺度,比如假设有一种二维宇宙,是一个球面,我们看来是很形象的,因为就一瞬间而言,我们的视觉感知是三维的,但这个球面宇宙的生物,很难想象他们生活在一个弯曲二维面上,不过虽然他们无法从图像上表达他们这样的宇宙,但他们可以数学上描述,也就是说,在他们科技文明不发达时,他们活动范围小,球面上很小的局部是近似平面,他们以为他们的宇宙是平直的,理所当然他们建立欧几里得几何学来描述他们的宇宙认为是最恰当的,但他们科技发展,活动范围越来越大,他们会发现他们宇宙的性质不符合欧几里得几何学,

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对相对论的一个误解:光在引力场中会沿曲线传播

凡有点几何知识的人都知道,在球面上做一个三角形,内角和必然不等于180度,球面上有一点出发向不同方向画的两直线,也是可以相交的,比如从赤道任何一点出发,过北极后,两直线端点会越来越近,最终相交,这样这些二维生物发现,在大尺度上,他们的宇宙不是平直的。这和我们很类似,只不过我们还多了两维,是一种四维的弯曲。这里不进一步说了,因为这个东西的确需要较高的想象力,黎曼几何中有个参量叫度规,顾名思义就是度量规则,这个量(是个二阶张量,4×4的矩阵)决定了时空的形态,欧几里得几何只是一种特例,就是度规张量取平直时的情况。我们的四维宇宙,在局部是近似平直的,只是这个局部,对我们目前的科技来讲,还是相当大了,比如整个太阳系来计算,也是近似平直的,所以广义相对论效应并不明显。但为什么这个近似平直时空的太阳系,星球还做圆周运动,原因是虽然这是个渐进平直时空,但测地线方程中有个参数,即使很微小的时空弯曲就会导出在三维看来很不同的测地线。这里不多说了,最后广义相对论是怎么画下句号的,就是爱因斯坦引力场方程,该方程描述了物质能动量与度规的关系,也可以说,物质存在和运动形态,联系了时空如何弯曲,进一步就决定了测地线,也就是物质该如何运动,所以广义相对论研究的是物理学的基础,就是物质之前如何相互作用,因此牛顿与爱因斯坦,是物理学在过去和现在的两个奠基人,其他物理学许多是研究这两大基础上的某些分支。(现在物理学两大基础是相对论和量子力学)。

光没有沿曲线传播,是时空发生了弯曲。我们说光沿什么样的线,必须对线下定义。弯曲时空中,光沿测地线传播,这就是非平直度规下的直线。广义相对论是狭义相对论基础上推导的,是一般与特殊的关系,就是说狭义相对论是广相的极限情况(一般参考系与惯性参考系的关系,狭义相对论的一切结论,只涉及惯性系的变换,广义相对论涉及全部一般参考系,无论是惯性还是非惯性的,所以叫广义)。而狭义相对论从光速不变原理出发的,广义相对论当然也满足。


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