愛因斯坦相對論中的“時空彎曲”,在常人看來簡直荒謬至極,到底是怎麼個彎曲法?

殊宇


時空看起來什麼都沒有,摸不著,但有微聲。關於時空彎曲問題人無能力操縱。平直的時空受擠壓就會彎曲而產生吸引力,反過來吸引力也就是時空彎曲。比如人們放炮的時候一股衝擊力可把近處窗戶玻璃擊破,這就是時空受到了排擠。每一個星球周圍有一個白雲狀圓環是起氣定作用。銀河系的運轉來於中心的動力源!


一一瞻慧一一


荒謬嗎?我覺得愛因斯坦的想法用一個形容就是“妙”。

並且這是我小學的時的感受,那個時候看電視科普節目,說天體運動,將時空比作一個彈性網,質量大的天體會把附近的網壓下去,於是周邊原本筆直的路徑就很自然的變成彎的了。

也可能是那時候還太小,也不知道牛頓的萬有引力,只是看到電視畫面上如此直觀的解釋,實在是讓人一看就感覺眼前一亮,感覺特別正確。

後來也看來不少科普書,裡面的描述語句大都如電視上所言,直到有一天(應該是高中吧),我突然想到了,如果說天體就是把彈性網壓凹下去的球,那是誰拽它下去的?不還是引力嗎?那不就相當於沒解釋什麼是引力嗎?然後我就覺得這個用網和球的比喻太不恰當了。

後來我自己想了一個比喻,時空像一塊彈性海綿,天體就是一顆球,然後被塞進去了,也不需要有誰來拽它,很自然的海綿內部就被擠彎了,就如時空彎曲了。

再後來我發現,這些其實都是比喻而已。質量能量都會導致時空曲率變化,進而影響一個物體的移動,實際上物體自身從來都是走的最短路線,在歐氏幾何裡是直線,但到了廣義相對論這裡,變成了黎曼幾何(會彎曲的幾何),於是最短路徑就叫做測地線,物體都是按照它走的,在我們看來,地球走的最短路徑就變成了繞太陽的橢圓。

最後,有為科學家是這樣說的:物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。

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賽先生科普


由於自然界是不連續的,存在著質的變化。因此,對於人類的認識來說,自然界就是一個無法打開的黑箱子📦。

所以,人類的認識只具有相對的意義,其所創建的各種理論,都只是相對於一定的現象和實驗,關於自然界的同構系統。

各種自然現象和實驗都是人類給予自然界的輸入信號和輸出信號,當理論與自然界相對於這些信號是不可分辨的,理論就被暫時視為自然界本身。

廣義相對論的進步意義在於,建立了空間與物質的統一聯繫,是相對於新出現的現象和實驗,如水星剩餘進動、光線彎曲和引力紅移等,關於自然界的同構系統。於是,由經典力學的機械世界變更為廣義相對論的幾何空間。

那麼,廣義相對論的空間彎曲為何難以理解呢?

地心說的本輪均論,也是難以想象的,但在數學上,與日心說卻是相同的。從表面上看,上述兩個理論的區別,只是因為它們選取的參照系不同。根據狹義相對論,所有的參照系都是平權的,所以地心說與日心說是等價的。然而,實際上,地心說是唯象型理論,缺乏具體的物理機制,最終會由構建型的日心說所取代。

與地心說相類似,廣義相對論也是唯象型理論。該理論用幾何的空間彎曲,取代了具體產生引力的物理機制。這就是物質引起空間彎曲的解釋,難以理解的原因。

量子力學的產生,表明宇宙是由量子構成的。離散的量子構成空間,由高能量子組成的封閉體系成為物質。

由於物質的封閉性小於1,所以物質並不是完全獨立的個體,其與空間存在著相互關聯的影響。比如,物質會對外輻射能量,使空間產生熱的梯度分佈。

於是,另一物質會因此受到空間量子的不對稱碰撞💥,這就是產生萬有引力的物理機制。


淡漠乾坤


愛因斯坦把引力解釋為時空彎曲,這確實是思想上的一大飛躍。那麼,愛因斯坦為什麼會提出這樣的想法呢?

在狹義相對論提出之後不久,愛因斯坦發現,萬有引力定律不符合相對性原理,表明這個引力理論是有侷限性的。由於任何質量的物體做自由落體運動,它們的運動規律都是一樣的,這與物體的質量和組成沒有任何關係。愛因斯坦想到,引力在本質上或許就不是力,而其實是幾何效應。

這個思想上的突破,最終促使愛因斯坦創立了一種與萬有引力定律不同的引力理論——廣義相對論。在廣義相對論看來,質量體彎曲了空間,導致物體會沿著彎曲空間運動,這樣就產生了引力作用。

至於三維空間是如何彎曲的,為了便於理解,一般都以二維平面作為示例。想象一張平坦的二維平面,其中有重物壓在上面,導致平面被彎曲。如果有其他物體靠近這個彎曲空間,它就會沿著其中的空間路徑運動。如果用三維空間來表示空間彎曲,應該是下圖這樣子:

愛因斯坦的想法非常成功,因為廣義相對論的很多預言,比如引力透鏡效應、引力波,最終都被高精度實驗的所證實。


火星一號


愛因斯坦提出“時空彎曲”是因為牛頓等萬有引力定律並不完美,牛頓只知道小質量天體會繞大質量天體旋轉,把這種現象歸結為引力的作用,但是牛頓並不知道引力是怎麼產生的。

愛因斯坦廣義相對論中的物質和時空是緊密聯繫在一起的,物質決定時空如何彎曲,時空決定物質如何運動,而牛頓認為時空是絕對的,幾百年來絕對時空觀都統治著人類。


愛因斯坦認為引力不是一種“力”,而是由於時空彎曲而造成的一種幾何現象,地球之所以繞著太陽轉就是因為太陽巨大的質量導致了太陽系的空間發生了彎曲,所以地球等一眾天體才乖乖的繞太陽轉。

平常解釋相對論中的“時空彎曲”的時候,為了生動形象往往是把太陽系描繪成一個二維平面,太陽巨大的質量導致平面向下凹陷,進而地球才回繞著太陽轉。

但是我們的空間是三維的,也就是說這種時空彎曲是體現在所有的方向上的,並不是垂直向下,所以時空彎曲其實被稱為時空扭曲才合適。

想要觀測到時空彎曲就必須看的足夠遠才行,哈勃望遠鏡拍攝到的遙遠星系有一部分都是通過“引力透鏡”來完成的,也就是說遙遠星系發出的光被其路上的其他大質量天體的“時空扭曲”而形成了類似於放大鏡一樣的效果,人們用引力透鏡來發現更遙遠的天體。


宇宙探索未解之迷


廣義相對論中的“時空彎曲”一點都不荒謬,只不過離普通人的常識略微有點遠而已。但實際上也並不算太遠,無非就是說時間不是完全均勻的流逝過程,有時候快、有時候慢;空間也一樣,尺度也是有變化的,取決於引力場狀況。只要真正弄清楚了,就會知道確實就是那麼回事。

按一般常識,光是直線傳播的,也就是說光走過的路程就是直線。看下圖a:

這個圖表示的是在人們日常生活環境下仰望星空時的普通常識。但如果在特殊條件下,比如光在傳播的過程中路過一個質量非常大的天體,比如太陽,那麼情況就會發生變化。如下圖b所示:

從圖中可知,當恆星發射來的光經過太陽附近時,由於太陽強大引力場的作用,光的傳播就會發生彎折。在這種情況下,地面觀察者所看到的恆星視位置,也就是光按直線傳播所應該出現的位置,與其實際位置並不一樣。那麼怎麼才能知道這一點呢?很好辦,就是與不經過太陽時的觀察結果對比一下,便可明瞭。1919年,英國科學家愛丁頓在南非對太陽日食進行觀測,就是依據的這個道理。觀測結果表明,愛因斯坦所預言的引力場導致時空彎曲,與觀測結果完全符合。這就證明了廣義相對論的正確性。

當然,這裡面不僅僅意味著空間是彎曲的,而是說時間也與空間連為一體都是彎曲的,只用空間彎曲,無法得到正確結果,只有將時空連在一起,才能得到符合觀測結果的理論預言。

實際上,整個宇宙包括地球表面,平直時空只是個近似,而彎曲時空才是普遍現象。但在地球表面的日常生活環境下,這種彎曲效應微乎其微,不考慮它的存在也並不會對人們的日常生活有多大影響而已。

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國科大科學與人文


王質爛柯的故事:蟲洞、時空彎曲、縮地遁地術以及時空頻譜——

1.

爛柯,是中國圍棋的一個代稱、一個別稱。

爛柯山,也名聞遐邇,位於浙江衢州,原名石室山。

這兩個名稱,都來自於王質爛柯的典故——

晉朝時有一個叫王質的人到石室山砍柴,見兩個童子下棋,便放下斧子觀棋。童子給他一棗核狀的東西,吃了不覺飢渴。未久,童子問:你怎麼還不走呢?王質去拿斧柄,竟然已經朽爛了。等王質回到家,竟然已經過去數百年了,同一時代的人早都沒有了……

王質何以穿越?何以隔世?

是王質吃了“仙家仙丹”,進入了奇境?

是王質觀棋專心致志,進入了化境?

童子不催,或許過去的就不是數百年,而是上千年了。

那過去的數百年時間又去了哪兒呢?

2.

神行太保已成為漢語中的一個成語,本是水滸傳108個好漢中戴宗的綽號。

戴宗上應天速星,深諳神行術——將神行甲馬拴在腿上,能日行八百。這是戴宗的拿手本事、看家本領。

因此,《水滸後傳》作者陳忱說:戴宗之神行法,張清之石子,花榮之射,燕青之廝撲,安道全之醫,可稱梁山泊五絕。

戴宗被排在最前,確實是有不凡的能力。

李逵之所以被戴院長治得服服帖帖,也是因為戴宗神行術的捉弄。

在水滸傳中,戴宗竟然還不是神行得最快的,還有一個馬靈能日行千里。戴宗才行十六七里,馬靈已經跑了二十里。後來戴宗還得向馬靈學習。

若具體問,這神行甲馬是個什麼東西,神行術是什麼樣的法術?人們不得而知。

其竅門或許和縮地術有關。

傳說中的縮地術能變遠為近,千里之遠,不同空間,瞬間可達。

晉朝葛洪《神仙傳:壺公》中,壺公收了費長房作徒弟,後來“ 費長房 有神術,能縮地脈,千里存在,目前宛然,放之復舒如舊也”。“或一日之間,人見在千里之外者數處”。

而縮地術又和遁地術是“姊妹篇”。

封神演義中的土行孫則以遁地術屢屢見功,其學藝千年,土遁能日行千里,因為是在地下遁行,難度比戴宗、馬靈要大。遁形潛藏,來無影,去無蹤,讓敵人防不勝防。

也是山外有山,人外有人,土行孫的剋星是張奎,因為張奎的遁地術能日行一千五百里……

3.

我們再來看看現代科學的一些概念。

一、時空彎曲

一張A4紙上,從A點到B點的一條平行線,距離是AB;如果紙由AB點的中點摺疊,那麼AB點重合,也就是AB點的距離為零。

或者反過來說,將一張A4紙對摺後,用鉛筆在紙上穿個洞,形成AB兩個洞,那麼二者距離為零。如果將紙打開鋪平,AB兩個洞的距離為AB。

這個演示是時空彎曲乃至摺疊的演示,時空彎曲中兩個點距離即使是看上去遙不可及的,但是因為彎曲,曲度越大,距離越短,一旦兩個時空摺疊,距離為零。天文數字的距離就有可能變成零,瞬間可達。這使時間旅行有了假想的依據。

二、蟲洞

蘋果上一隻蟲子,要到達果核為中心的對稱點,勢必要做圓周運動,距離是二分之一的周長。但是如果蟲子蛀出一條直徑,就會大大縮短運動的距離和時間的長短。

蟲洞就是不同時空的捷徑,蟲洞的假設使得時間旅行成為可能,人們或者可以通過蟲洞進行瞬間的時空轉換、時空穿越。

4.

那麼我們再看看王質爛柯的故事,它的寓意何在?

王質進入了另一個時空,或者說是彎曲或摺疊的時空,王質從A到B的時空距離基本為零(原本是數百年)。而同時代的人們和社會仍沿著時空的圓周在生活,從A到B的距離是實實在在的數百年。

再看土行孫的遁地術,更像蘋果上的蟲子的比喻。土行孫日行千里,而普通人步行走一千里要10多天。土行孫更像走得是蟲洞,遁地術近於蘋果上的蟲洞比喻。

而縮地術,更像A4紙彎曲的比喻。

王質爛柯,則更近於A4紙摺疊的比喻。

5.

蟲洞的時空旅行假設,在科學家的眼裡是危險的——因為奇點、因為黑洞白洞的能量場等,人們就是找到了蟲洞,在穿行中也基本上會被燒為灰燼。

而神話傳說或許給人們的啟示是——

首先,人們與時空形成統一或同一的頻譜(甚至是更精微的頻譜),就能夠瞬間實現時空穿越、時空旅行。王質是與童子達到同一時空場(時空渾一、靜止),因此和神仙一樣——洞中方一日,世上已千年。

第二,人們和更高形態的能量場或時空場達到一致,也許就能夠通過科學技術,像傳真機的作用一樣,實現即時的傳遞。

第三,當人們與更高能量場或時空場的頻譜達成一致,就可以做到避免原來不同物質、不同頻譜、不同能量的傷害性。

科學離不開大膽假設,離不開思維實驗。科學原理和神話傳說在想象力上是相通的。

想象是創造的相貌,更是創造的內心。

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最前沿,先行者總部——
生命本悟,快樂本心。
天人本一,智慧本光。
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經行天下光未央


時空彎曲是基於空間是黎曼幾何空間的物理學推論。

愛因斯坦的廣義相對論,是以黎曼幾何為數學基礎的,也就是以一種非歐幾里德幾何的橢圓幾何為基礎的。因此,廣義相對論的推論就是黎曼幾何的數學推論。

因此,從本質上看,彎曲的不是真實的物理空間,而是廣義相對論的數學空間—黎曼幾何空間。所以,為了使觀測到的物理現象、天文現象符合廣義相對論的數學空間,就不能不曲解觀測現象以符合廣義相對論的物理結論。

愛因斯坦將引力歸結為時空彎曲的表現,不僅沒有說明引力的本質,相反,使引力變得比牛頓的超距作用更加神秘。顯然,愛因斯坦是倒因為果了,如果時空彎曲是引力造成的,那麼造成引力的原因又是什麼呢?愛因斯坦和牛頓一樣,回答不了。

從愛因斯坦的引力場方程,能推出宇宙半徑來,說明廣義相對論的宇宙是一個有邊界界定的宇宙,這個邊界就是黎曼幾何的邊界;但真實的宇宙是沒有邊界的,因此,廣義相對論也是有限數學空間的物理理論。有限數學空間的物理理論,自然也是有限的理論,當有限的理論無限外推時,必然會失效,所得出的結論也會是錯誤的甚至是荒謬的。

相對無限的真實的宇宙來說,遠不是愛因斯坦的引力場方程所能描述的。以廣義相對論為基礎的宇宙學,更是提出了所謂宇宙起源於大爆炸的學說,霍金甚至預言人類將在2032年毀滅;宇宙學不僅變成了現代神學,甚至墮落為了中世紀的巫術!而且眾多的人對這些有悖常理的胡說八道,深信不疑,還自詡為最尖端的物理理論。

當物理學越來越偏離實驗為基礎的實證發展方向時,靠數學推理預測將會發生什麼物理現象就會成為主流。物理學自愛因斯坦之後,就是這樣發展的,逐漸演變為了靠數學推理的形而上學,所以才會產生霍金這樣的宇宙神話大師,並越來越使物理學與宗教神學合流成為迷信的源泉。


經濟相對論580


這個問題收藏幾天了,今天才有時間靜下心來好好回答一下。在回答之前,我看了答案區各位小夥伴的回答,大部分小夥伴的回答都是正確的,我為小夥伴們都能有這麼高的水平感到非常高興。

我在這裡只針對各位小夥伴的回答補充點內容。

1、時空彎曲其實只是愛因斯坦對於引力的幾何表述。愛因斯坦認為引力是時空彎曲造成的表現。

2、時空是怎麼完全的,那位說往海綿裡塞個球的解釋最形象。那些往彎曲的網上放個球的只是一個維度的彎曲,實際上,質量帶來的空間完全是三維的。

3、愛因斯坦的時空彎曲是不完備的。這是因為愛因斯坦的數學工具用的是黎曼幾何。這種幾何學包含了平直、彎曲和翹曲,也就是平面、圓和馬鞍面這種彎曲。並沒有扭曲,或者說叫空間自旋。這塊正是咱們中國的物理學家楊振寧的理論,是廣義相對論非常有意義的補充。

4、愛因斯坦跟牛頓一樣,並沒有給出引力的本質。引力究竟是怎麼來的,還是沒有答案。

5、其實牛頓跟愛因斯坦的視角不同,牛頓那個時代,不清楚光是什麼,所以更不知道光速不變,所以牛頓對於時間的理解肯定是沒有愛因斯坦深刻。但牛頓很可能也會畫出空間中彎曲的重力等勢面,只是在牛頓看來,空間是平直的,但是空間中重力等勢面是彎曲的。也就是說,牛頓的意思是引力在空間中大小會變化、方向會改變。而愛因斯坦把引力看作是空間彎曲的效果。二者解釋的角度不同。

我是郭哥論道,一個致力於科普相對論、量子力學、計算機、數學,讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣、更有料的科普搬運工。耐心看完的小夥伴,留個言、點個贊加個關注再走唄。


郭哥聊科學


時空彎曲是愛因斯坦廣義相對論中研究的內容,這種理論認為引力從本質上來說是時空彎曲的外在變現,並不是真實的力。簡單的理解就是物質告訴時空如何彎曲,彎曲的時空告訴物質如何運動。

時間如何彎曲?三維空間如何彎曲?我們頭腦中的絕對時空觀念根深蒂固,認為時間是絕對的,你的時間和我的時間並沒有區別。空間是絕對平坦的,想象不出怎樣彎曲。

但是我們可以類比一下,把時空看做一張巨大的薄膜,有質量的物質放在上邊,會導致這張薄膜出現凹陷,凹陷的越深彎曲的程度越大。
黑洞中的光無法從黑洞射出來,那麼光是沒有靜止質量的,引力如何對它起作用哪?在這裡用時空的彎曲就好解釋了,光有沿直線傳播的性質,在彎曲的時空中它是在黑洞視界內“繞圈圈”,但是如果光有意識它並不會認為自己走的是曲線。它是按照直線走的,只是因為時空彎曲表現出的是走的曲線。

時間的彎曲體現在時間的流逝速度上,時空彎曲程度越大,外在表現引力越大,時間膨脹效應就越明顯。也就是說時間流逝速度越慢,因此黑洞視界上的時間幾乎是靜止的。

前兩年被發現的引力波,它的實質上就是時空彎曲的漣漪,沒有什麼荒謬的。


這裡是科學黑洞,歡迎你的關注與點評。


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