對相對論的一個誤解:光在引力場中會沿曲線傳播

首先我們生活的宇宙是一種四維彎曲時空,需要注意的是彎曲的是時空而非空間。任何物質的運動都是一條四維的軌跡,由空間座標三個分量xyz和時間座標分量t構成。

廣義相對論這樣解釋引力效應:自由粒子在彎曲四維時空中沿測地線(一條四維的軌跡)運動,這個測地線從幾何角度也是彎曲時空中最短的線群的一條。當投影到三維空間(投影就是把測地線方程寫成空間座標與時間座標關係),那麼就是引力效應,比如蘋果加速下落,地球圍著太陽轉等。

把時空彎曲比喻成一個東西把平面壓凹是十分不恰當的,因為時空彎曲是無法用圖像表達的,只能用數學描述。無法用實際的物體模擬去表達,是因為我們本身就是四維生物,我們目前觀測的所有物質都是四維的,我們的觀測儀器也只是輸出四維的結果。

如果要真看什麼是四維彎曲,我們必須在五維或更高維的尺度,比如假設有一種二維宇宙,是一個球面,我們看來是很形象的,因為就一瞬間而言,我們的視覺感知是三維的,但這個球面宇宙的生物,很難想象他們生活在一個彎曲二維面上,不過雖然他們無法從圖像上表達他們這樣的宇宙,但他們可以數學上描述,也就是說,在他們科技文明不發達時,他們活動範圍小,球面上很小的局部是近似平面,他們以為他們的宇宙是平直的,理所當然他們建立歐幾里得幾何學來描述他們的宇宙認為是最恰當的,但他們科技發展,活動範圍越來越大,他們會發現他們宇宙的性質不符合歐幾里得幾何學,

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對相對論的一個誤解:光在引力場中會沿曲線傳播

凡有點幾何知識的人都知道,在球面上做一個三角形,內角和必然不等於180度,球面上有一點出發向不同方向畫的兩直線,也是可以相交的,比如從赤道任何一點出發,過北極後,兩直線端點會越來越近,最終相交,這樣這些二維生物發現,在大尺度上,他們的宇宙不是平直的。這和我們很類似,只不過我們還多了兩維,是一種四維的彎曲。這裡不進一步說了,因為這個東西的確需要較高的想象力,黎曼幾何中有個參量叫度規,顧名思義就是度量規則,這個量(是個二階張量,4×4的矩陣)決定了時空的形態,歐幾里得幾何只是一種特例,就是度規張量取平直時的情況。我們的四維宇宙,在局部是近似平直的,只是這個局部,對我們目前的科技來講,還是相當大了,比如整個太陽系來計算,也是近似平直的,所以廣義相對論效應並不明顯。但為什麼這個近似平直時空的太陽系,星球還做圓周運動,原因是雖然這是個漸進平直時空,但測地線方程中有個參數,即使很微小的時空彎曲就會導出在三維看來很不同的測地線。這裡不多說了,最後廣義相對論是怎麼畫下句號的,就是愛因斯坦引力場方程,該方程描述了物質能動量與度規的關係,也可以說,物質存在和運動形態,聯繫了時空如何彎曲,進一步就決定了測地線,也就是物質該如何運動,所以廣義相對論研究的是物理學的基礎,就是物質之前如何相互作用,因此牛頓與愛因斯坦,是物理學在過去和現在的兩個奠基人,其他物理學許多是研究這兩大基礎上的某些分支。(現在物理學兩大基礎是相對論和量子力學)。

光沒有沿曲線傳播,是時空發生了彎曲。我們說光沿什麼樣的線,必須對線下定義。彎曲時空中,光沿測地線傳播,這就是非平直度規下的直線。廣義相對論是狹義相對論基礎上推導的,是一般與特殊的關係,就是說狹義相對論是廣相的極限情況(一般參考系與慣性參考系的關係,狹義相對論的一切結論,只涉及慣性系的變換,廣義相對論涉及全部一般參考系,無論是慣性還是非慣性的,所以叫廣義)。而狹義相對論從光速不變原理出發的,廣義相對論當然也滿足。


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