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时空弯曲:这个神秘而又迷人的陈述究竟是什么意思呢

时间:2020-11-18 20:31 来源:菜叶 作者: 菜叶

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双生子佯谬很好地描绘了狭义相对论时空的刚性结构怎么使空间和时间由于观测者的运动而各自改变(收缩或延缓)。

广义相对论则完全变革了我们的宇宙观,它断言引力场(物质)会使整个时空变形,物体的大小、长短、距离在光速状态下会统统消失 。

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如果在一个给定点上直接的引力效应已被消除(引入局部惯性参考系),我们仍能测量相邻两点之间的微分效应。

在一个缆绳已断掉的电梯里,两个“自由”物体的轨迹在一级近似上是平行的,但实际上两条轨迹线将在6400公里远处的地心相交,因此两轨迹之间就有一个相对加速度(因为它们相互在靠近),对应着一个微分引力场。显示直接引力与微分引力之间分别的一个鲜明事例是海洋潮汐的幅度。

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虽然恒星对地球表面的直接引力比月亮的强180倍,恒星潮却比月亮潮弱得多。这是因为潮汐并不是由直接引力造成,而是由恒星和月亮对地球上不同点的引力的差异造成。

对月亮来说这种差异是6%,而对恒星则只有1.7%。牛顿理论把微分引力效应称作潮汐力。

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在恒宇宙岛里潮汐力是很弱的,而黑洞所产生的潮汐力却能把整个太阳撕碎。然而对广义相对论来说,用潮汐力来描述微分引力是完全多余的,因为这不是一种力学效应而纯粹是一种几何效应。

为理解这一点,且看两只开始时沿平行路线滚动且相隔不远的高尔夫球。

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如果地面完全平坦,它们的轨迹将保持平行,否则它们的相对位置就会改变,一个鼓包会使它们离远,一个凹坑则会使它们靠拢。

在宇宙高尔夫球场里,微分引力可以用时空“场地”的弯曲来表示。而且,由于引力总是吸引,这种弯曲就总是凹下而不是隆起。

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因此,时空弯曲的深刻含义是指由等效原理所造就的引力场与几何之间的联系。物体不是在引力迫使下在“平直”时空中运动,而是沿着弯曲时空的恒值线自由地行进。

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