爱因斯坦相对论中的“时空弯曲”,在常人看来简直荒谬至极,到底是怎么个弯曲法?
爱因斯坦把引力解释为时空弯曲,这确实是思想上的一大飞跃。那么,爱因斯坦为什么会提出这样的想法呢?
在狭义相对论提出之后不久,爱因斯坦发现,万有引力定律不符合相对性原理,表明这个引力理论是有局限性的。由于任何质量的物体做自由落体运动,它们的运动规律都是一样的,这与物体的质量和组成没有任何关系。爱因斯坦想到,引力在本质上或许就不是力,而其实是几何效应。
这个思想上的突破,最终促使爱因斯坦创立了一种与万有引力定律不同的引力理论——广义相对论。在广义相对论看来,质量体弯曲了空间,导致物体会沿着弯曲空间运动,这样就产生了引力作用。
至于三维空间是如何弯曲的,为了便于理解,一般都以二维平面作为示例。想象一张平坦的二维平面,其中有重物压在上面,导致平面被弯曲。如果有其他物体靠近这个弯曲空间,它就会沿着其中的空间路径运动。如果用三维空间来表示空间弯曲,应该是下图这样子:
爱因斯坦的想法非常成功,因为广义相对论的很多预言,比如引力透镜效应、引力波,最终都被高精度实验的所证实。
时空弯曲是爱因斯坦广义相对论里的核心理论,是他的一个重大发现。这个发现现在已经被无数的观测事实所证明。
爱因斯坦广义相对论认为,任何物质的存在会对周边的时空产生扰动,这种扰动就是时空弯曲,这种效应在大质量物体周围就会非常明显。
比如一颗大质量恒星,从其旁边经过的任何物体,都会由于时空的弯曲而改变路径,就连光线也不例外。
这个理论很好的解释了万有引力的本质。一个大质量天体扭曲了周边的时空,形成了一个时空漩涡,途径其附近的物质就会被这个漩涡所捕获,只有通过速度才能逃逸或者不掉入漩涡底端,撞向这个天体。
在地球上这种速度就叫做三个宇宙速度,即环绕速度、脱离速度、逃逸速度。其中逃逸速度是相对于太阳而言。
很多年来,天文学家们发现水星近日点存在反常的进动想象,实际观测之比理论观测值差了43秒,这个问题一直困扰着科学家们,无法解释。一直到广义相对论出台后,人们用这个引力弯曲理论,才解开了这个谜团。
相对论关于时空弯曲理论,还预言了许多宇宙天文事件。
爱因斯坦预言,遥远星光穿过太阳边缘时偏转的角度,是牛顿引力理论计算结果的两倍,这个预言被英国天文学家爱丁顿组织的日全食实验所证实。
由于时空的弯曲,爱因斯坦还预言了时间在大引力场中会放慢、光从大质量天体表面发射出来时会产生红移想象等等,这些都得到了精确的验证。
时空弯曲理论还预言了宇宙是动态的,宇宙中存在引力黑洞,后来天文学家们发现了黑洞;大质量天体导致的时空扭曲会产生引力透镜效应,使经过其中的光线被放大,根据这个原理,科学家发现了遥远距离本来不可能发现的恒星;天体运动还会产生引力波,尽管引力波导致的时空涟漪很微弱,但科学家们经过百年努力,还是最终发现和证实了它。
这些世纪预言经过无数科学家们孜孜不倦观察实验,都一一得到了验证,从而越来越证明了相对论理论的伟大。
现在网路上一些对爱因斯坦相对论肆意贬损大言不惭的,基本都是一些愚昧的反智反科学群体。
这些人从来也没有认真的了解过相对论,对相对论的基本内容以及一百年来科学界的实践活动毫不知情,凭着自己一点吃饭拉屎的生活常识就胡说八道。
其实在现代生活中,我们社会文明进步的一切来源都起始于科学家们的发现和发明,其中也不乏相对论的贡献。
不要说宇宙观测和航天活动处处都得遵循相对论一些定律,就是日常生活也到处蕴含着相对论的影子。
比如核能源、核医疗、卫星定位、gps导航等等,这些现代科技里面都有相对论的贡献。
相对论已经成为现代科学的基础理论,没有相对论,现在的很多科学研究就要中断,社会文明进步就会受到挫折。
时空弯曲理论实际上是在牛顿经典力学基础上的一次重大飞跃,它纠正和修正了牛顿万有引力在高速状态下的一些误差,解释了万有引力的本质,为人类对宇宙万物的认识开启了一扇新的窗口。
这就是时空弯曲,时空弯曲本身看不见摸不着,但可以通过其影响发现检测计算出来。根据这个理论,科学界发现了很多没有看到的星体,而且后来都被一一证实。
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广义相对论中的“时空弯曲”一点都不荒谬,只不过离普通人的常识略微有点远而已。但实际上也并不算太远,无非就是说时间不是完全均匀的流逝过程,有时候快、有时候慢;空间也一样,尺度也是有变化的,取决于引力场状况。只要真正弄清楚了,就会知道确实就是那么回事。
按一般常识,光是直线传播的,也就是说光走过的路程就是直线。看下图a:
这个图表示的是在人们日常生活环境下仰望星空时的普通常识。但如果在特殊条件下,比如光在传播的过程中路过一个质量非常大的天体,比如太阳,那么情况就会发生变化。如下图b所示:
从图中可知,当恒星发射来的光经过太阳附近时,由于太阳强大引力场的作用,光的传播就会发生弯折。在这种情况下,地面观察者所看到的恒星视位置,也就是光按直线传播所应该出现的位置,与其实际位置并不一样。那么怎么才能知道这一点呢?很好办,就是与不经过太阳时的观察结果对比一下,便可明了。1919年,英国科学家爱丁顿在南非对太阳日食进行观测,就是依据的这个道理。观测结果表明,爱因斯坦所预言的引力场导致时空弯曲,与观测结果完全符合。这就证明了广义相对论的正确性。
当然,这里面不仅仅意味着空间是弯曲的,而是说时间也与空间连为一体都是弯曲的,只用空间弯曲,无法得到正确结果,只有将时空连在一起,才能得到符合观测结果的理论预言。
实际上,整个宇宙包括地球表面,平直时空只是个近似,而弯曲时空才是普遍现象。但在地球表面的日常生活环境下,这种弯曲效应微乎其微,不考虑它的存在也并不会对人们的日常生活有多大影响而已。
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这个问题收藏几天了,今天才有时间静下心来好好回答一下。在回答之前,我看了答案区各位小伙伴的回答,大部分小伙伴的回答都是正确的,我为小伙伴们都能有这么高的水平感到非常高兴。
我在这里只针对各位小伙伴的回答补充点内容。
1、时空弯曲其实只是爱因斯坦对于引力的几何表述。爱因斯坦认为引力是时空弯曲造成的表现。
2、时空是怎么完全的,那位说往海绵里塞个球的解释最形象。那些往弯曲的网上放个球的只是一个维度的弯曲,实际上,质量带来的空间完全是三维的。
3、爱因斯坦的时空弯曲是不完备的。这是因为爱因斯坦的数学工具用的是黎曼几何。这种几何学包含了平直、弯曲和翘曲,也就是平面、圆和马鞍面这种弯曲。并没有扭曲,或者说叫空间自旋。这块正是咱们中国的物理学家杨振宁的理论,是广义相对论非常有意义的补充。
4、爱因斯坦跟牛顿一样,并没有给出引力的本质。引力究竟是怎么来的,还是没有答案。
5、其实牛顿跟爱因斯坦的视角不同,牛顿那个时代,不清楚光是什么,所以更不知道光速不变,所以牛顿对于时间的理解肯定是没有爱因斯坦深刻。但牛顿很可能也会画出空间中弯曲的重力等势面,只是在牛顿看来,空间是平直的,但是空间中重力等势面是弯曲的。也就是说,牛顿的意思是引力在空间中大小会变化、方向会改变。而爱因斯坦把引力看作是空间弯曲的效果。二者解释的角度不同。
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