廣義相對論的彎曲空間其實很容易懂

英國物理學家愛丁頓(Arthur Eddington)1919年帶領團隊在西非拍攝的日全食照片證實水星近日點進動完全符合廣義相對論的預測結果,這個消息迅速傳遍了物理學界,同時也另愛因斯坦及他在1905年提出的廣義相對論名聲大振。隨後有記者問愛丁頓:聽說全世界只有三個人真正懂得相對論,是這樣嗎?愛丁頓想了想回答道:我正在想這第三個人是誰!

廣義相對論的彎曲空間其實很容易懂

愛因斯坦與愛丁頓


這段有趣的對話充分說明了廣義相對論在當時是有多麼地離經叛道,實際上在一百多年後的今天,對於大部分物理學愛好者來說,談到空間彎曲的概念,仍然會感到不可思議、無法理解。

因為空間(真空)在經驗中給我們的感覺是這樣的——一無所有,沉寂冰冷,永恆不變且不屬於任何物質形態。所以談到空間彎曲,我們大腦最初所有的牴觸意識都來自於這種經驗的禁錮。

在一篇科普文章中,在完全脫離於具體複雜的物理概念、數學形式的情況下,從起源自馬赫並被愛因斯坦進行推廣的物理哲學觀來向普通的物理學愛好者講述空間彎曲,並能讓他們看懂,是一件有趣的挑戰!

廣義相對論的彎曲空間其實很容易懂

地球周圍的彎曲空間


假定在宇宙空間中,存在點狀客體A、B、C……,當我們設想以某種超自然的力量將B、C……全部從空間中摘除時,得到的場景是什麼樣的?此時,空間中只留下了點狀客體A。由於A是點狀客體,因此A的“內部”並不存在任何形式的演變、運動,而失去了其它的客體,這樣的描述——A以任意“加速度”運動、A運動到任意“位置”——全部失去了意義,因為空間中只存在A,則它的一切運動都沒有辦法通過與其它客體的相對位置來描述,而空間也不可能具有像量尺一樣的刻度,因此A的一切運動都沒有辦法表現出來,由此我們可以認為A的運動失去了意義,進一步可知整個宇宙空間失去了意義,也可以認為空間消失了。

通過上面的假想實驗我們得知,空間的存在本質上是與客體(物質)無法區分開的。而空間中的客體非常多,任意一個客體必須具有等效的資格作為相對位置的參照物(參考系),且在此參考系上討論的空間,才是有意義的空間。上述假想實驗中的A正是由於缺失了參考系,因此空間消失了。

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正交座標系


那麼我們談論任意一個參考系,此參考系必須建立在一個客體上才有意義,也就是以此客體為視角對空間進行描述。

由於宇宙空間本質上只有一個,但是不同參考系可以有A、B、C……這些不同的視角,我們可以認為空間在不同的參考系上的描述形式儘管不同,但都描述著同樣的物理內容。這種不同參考系上描述形式的不同完全取決於參考系所對應的客體的運動形態。例如A、B是相對靜止的,那麼參考系A、B在對空間的描述形式上就可以是完全相同的,而C、D間具有加速運動,那麼參考系C、D對空間的描述就是截然不同的,也就是說,它們上面空間的形態是不同的。

繼續假定C是相對於B靜止的,而D相對於C有加速運動。我們在C上面找出兩點,並劃一條直線。在參照系C上面,這條直線一定是歐幾里得幾何下的直線。而兩點之間劃直線的軌跡,可以視為一條走直線運動的質點運動。這個運動我們稱為L,那麼L在加速參照系D中必然代表著其上的一條“直線”!完全可以確定的是,我們以歐幾里得幾何(平直空間)填充參照系D時,L必定表現為一條曲線。而這條曲線L就是參照系D上面實際的空間幾何中兩點之間的最短距離(廣義相對論的四維時空中的測地線)。

上面的論證中,只是簡單地假定C相對於B是靜止的,那麼為了保證參照系C上的空間形態為歐幾里得空間,必須確保B為絕對的慣性系。當然絕對的慣性系在實際的宇宙中是不存在的,而我們為了討論方便,引入這個概念並不會影響邏輯的嚴密性。

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彎曲時空


在以上的論證中,只是從加速運動的參照系引出了空間的彎曲性。關於質量(能動量)對空間形態的影響不做討論。

以上就是對彎曲空間從加速參照系的角度進行的詮釋。有興趣的朋友也可以參考一下愛因斯坦的等效原理,會發現引力與加速參考系是有些一定的等效性的(引力空間的不同點等效於不同的加速參考系空間),這就意味著質量對空間形態的影響是決定性的。

不太明白的朋友們可以留言。


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