广义相对论的弯曲空间其实很容易懂

英国物理学家爱丁顿(Arthur Eddington)1919年带领团队在西非拍摄的日全食照片证实水星近日点进动完全符合广义相对论的预测结果,这个消息迅速传遍了物理学界,同时也另爱因斯坦及他在1905年提出的广义相对论名声大振。随后有记者问爱丁顿:听说全世界只有三个人真正懂得相对论,是这样吗?爱丁顿想了想回答道:我正在想这第三个人是谁!

广义相对论的弯曲空间其实很容易懂

爱因斯坦与爱丁顿


这段有趣的对话充分说明了广义相对论在当时是有多么地离经叛道,实际上在一百多年后的今天,对于大部分物理学爱好者来说,谈到空间弯曲的概念,仍然会感到不可思议、无法理解。

因为空间(真空)在经验中给我们的感觉是这样的——一无所有,沉寂冰冷,永恒不变且不属于任何物质形态。所以谈到空间弯曲,我们大脑最初所有的抵触意识都来自于这种经验的禁锢。

在一篇科普文章中,在完全脱离于具体复杂的物理概念、数学形式的情况下,从起源自马赫并被爱因斯坦进行推广的物理哲学观来向普通的物理学爱好者讲述空间弯曲,并能让他们看懂,是一件有趣的挑战!

广义相对论的弯曲空间其实很容易懂

地球周围的弯曲空间


假定在宇宙空间中,存在点状客体A、B、C……,当我们设想以某种超自然的力量将B、C……全部从空间中摘除时,得到的场景是什么样的?此时,空间中只留下了点状客体A。由于A是点状客体,因此A的“内部”并不存在任何形式的演变、运动,而失去了其它的客体,这样的描述——A以任意“加速度”运动、A运动到任意“位置”——全部失去了意义,因为空间中只存在A,则它的一切运动都没有办法通过与其它客体的相对位置来描述,而空间也不可能具有像量尺一样的刻度,因此A的一切运动都没有办法表现出来,由此我们可以认为A的运动失去了意义,进一步可知整个宇宙空间失去了意义,也可以认为空间消失了。

通过上面的假想实验我们得知,空间的存在本质上是与客体(物质)无法区分开的。而空间中的客体非常多,任意一个客体必须具有等效的资格作为相对位置的参照物(参考系),且在此参考系上讨论的空间,才是有意义的空间。上述假想实验中的A正是由于缺失了参考系,因此空间消失了。

广义相对论的弯曲空间其实很容易懂

正交坐标系


那么我们谈论任意一个参考系,此参考系必须建立在一个客体上才有意义,也就是以此客体为视角对空间进行描述。

由于宇宙空间本质上只有一个,但是不同参考系可以有A、B、C……这些不同的视角,我们可以认为空间在不同的参考系上的描述形式尽管不同,但都描述着同样的物理内容。这种不同参考系上描述形式的不同完全取决于参考系所对应的客体的运动形态。例如A、B是相对静止的,那么参考系A、B在对空间的描述形式上就可以是完全相同的,而C、D间具有加速运动,那么参考系C、D对空间的描述就是截然不同的,也就是说,它们上面空间的形态是不同的。

继续假定C是相对于B静止的,而D相对于C有加速运动。我们在C上面找出两点,并划一条直线。在参照系C上面,这条直线一定是欧几里得几何下的直线。而两点之间划直线的轨迹,可以视为一条走直线运动的质点运动。这个运动我们称为L,那么L在加速参照系D中必然代表着其上的一条“直线”!完全可以确定的是,我们以欧几里得几何(平直空间)填充参照系D时,L必定表现为一条曲线。而这条曲线L就是参照系D上面实际的空间几何中两点之间的最短距离(广义相对论的四维时空中的测地线)。

上面的论证中,只是简单地假定C相对于B是静止的,那么为了保证参照系C上的空间形态为欧几里得空间,必须确保B为绝对的惯性系。当然绝对的惯性系在实际的宇宙中是不存在的,而我们为了讨论方便,引入这个概念并不会影响逻辑的严密性。

广义相对论的弯曲空间其实很容易懂

弯曲时空


在以上的论证中,只是从加速运动的参照系引出了空间的弯曲性。关于质量(能动量)对空间形态的影响不做讨论。

以上就是对弯曲空间从加速参照系的角度进行的诠释。有兴趣的朋友也可以参考一下爱因斯坦的等效原理,会发现引力与加速参考系是有些一定的等效性的(引力空间的不同点等效于不同的加速参考系空间),这就意味着质量对空间形态的影响是决定性的。

不太明白的朋友们可以留言。


分享到:


相關文章: