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一口氣看懂:廣義相對論,時空彎曲,等效原理,黑洞時間變慢
燈泡如何取下來
今天我們系統講一下廣義相對論,從最基本的原理出發,徹底幫助你理解為什麼時空是彎曲的。
引力是宇宙中最基本的現象,任何兩個物體之間都會產生吸引力。
不管是蘋果落地還是月球繞地球旋轉,地球繞太陽旋轉,引力都會迫使物體之間靠的更近。
可能很多人會認為,引力由物體的質量決定,物體的質量越大,吸引力就越大。
在牛頓理論中,你當然可以這樣理解,因為牛頓力學可以很好地計算蘋果落地的時間,行星繞太陽公轉的資料。
但是事實上,引力並不是真正意義上的力。
舉個例子,假設現在有一顆衛星要落向地面,如果引力是一種力的話,那麼衛星就應該落向地球的中心,但是真實的情況確是:當衛星落向地面時,它的運動軌跡會隨著地球的自轉方向發生偏差。
還有一個例子,水星繞太陽的軌道會隨著時間的推移以一定的速度改變方向。
如果引力是一種力的話,那麼我們就能夠極其精確地預測這種運動軌道的偏差。
但是牛頓的引力定律並不能很好地計算類似水星軌道偏差的現象。
所以我們就可以懷疑,引力就不是一種靠質量相互吸引的力,而是時空彎曲造成的假象。
廣義相對論的最基礎的思想來源就是等效原理。
現在想象一個宇宙空間,周圍十幾光年都沒有任何星系,所以我們可以把其他星系的“引力”干擾忽略掉。
此時你在一個密閉的箱子裡,你手裡拿著一個小球。此時此刻你處於失重狀態,如果你把手中的小球釋放,會看到小球漂浮在原地。
然後箱子底部有個推進器點火了,整個箱子以恆定加速度a “向上”運動。這時候你會感受到箱底有一股力拉著你向下運動,小球也會以恆定加速度a向箱子底部下落。
如果這個恆定加速度的數值是9。81m/s²,那麼你在密閉箱子裡就會感受到和地球表面一樣的效果。
你會感受到箱子底部在拉你,這種“拉力”的大小和地球表面是一樣的。你還可以看到小球向箱子底部下落的加速度和地面也是一樣的。所以你是無法區分自己到底是靜止站在地面上,還是在宇宙空間中以9。81m/s²的加速度運動。
在箱子中的你,可能會認為自己是靜止站在地面上的,所以受到了來自地球的“引力”。
但是在箱子外的觀察者看來,你其實和小球都沒有動,箱子也沒有在地球上,更不會受到來自地球的引力,只是箱子底部以恆定的加速度“向上”運動撞到你和小球了。
現在我們關閉箱子底部的引擎,你這時候又處於失重狀態了!
這時候你拿了一個手電筒,當你開啟手電筒,這時候引擎又啟動了,你一開始將光線照向箱子右側的中心點。
但是由於箱子底部向上有個加速度,你最後看到光線會落在箱子右側中心點的下方。所以你看到的光線是彎曲的。
同時,箱子外也有一個人觀察你的行為,在箱子外的人看來,光線並沒有彎曲,而是箱子底部以恆定加速度靠近光線。
那麼到底是箱子裡的人是正確的,還是箱子外的人看到的一切是正確的。
廣義相對論認為,箱子裡的人和箱子外的人都是正確的。
由於箱子引擎的推動,箱子裡的人會認為自己站在地球表面上。而箱子外的人會認為箱子裡的人是受到了底部加速度的愚弄,所以才誤以為受到了地球的引力。
這樣回頭一看,我們是無法區分物體自由下落的行為是引力造成的,還是加速度的造成的。所以引力可以等效成加速度。
質量越大的星球引力等效成的加速度數值就越大。
接下來,我會好好分析一下,為什麼光線彎曲會造成時間變慢的事實。
剛才我們講了,在宇宙深空中,以恆定加速度運動的箱子裡的人,看到的光線是彎曲的
而箱子外的人看到箱內的光線卻是平直的。
對同一個光線的觀察,箱內的人和箱外人會得出不同的結果。很明顯,箱子裡的人觀察到的光線彎曲了,光線的路徑也就變長了。
根據光速不變原理,箱內的人和箱外測量的光速反正都是一樣的。而箱內人卻明顯感受到光線變長了。我們知道時間等於光經過的路徑除以光速,由於光速不變,而箱內的光線路徑變長了,所以箱內的時間就變長了。
所以箱內的時間相對於箱外就變慢了。
前面說過,星球的質量越大,等效的加速度就越大。
黑洞的質量很大,所以等效的加速度就更大,加速度越大,箱內的光線彎曲程度就更大,所以光線經過的路徑就更長,所以時間相對於參考系外就更慢。
這就是天體的質量越大,其周圍的時間越慢的緣故。
一顆蘋果在宇宙空間本來是沿直線勻速運動的,當它運動到地球的周圍時,就受到了地球的引力,這時候我們可以把地球的引力等效成蘋果受到的加速度,由於加速度的存在,蘋果原本勻速直線的運動變成了曲線的了。你也可以認為蘋果受到加速度後依舊按照原來的路徑運動,但是地球卻把周圍的時空彎曲了,所以蘋果不得不在彎曲的時空中運動,就顯得是曲線運動。
為了統一計算,廣義相對論一般不再區分引力和加速度等效的問題了,而是直接說:
有質量的物體會彎曲周圍的時空,其實也就等效於加速度帶來的曲線運動。
質量越大的天體,其等效成的加速度越大,所以周圍的物體軌跡越彎曲,路徑延長越大,時間也就越慢。
但是這樣說很麻煩,還不如直接說質量越大的天體,周圍的空間和時間越彎曲。空間和時間越彎曲就相當於說路徑越長,時間越長(慢)。
空間和空間可以簡稱為時空。所以就成了我們經常聽到的那句,天體質量越大,時空越彎曲,時間越慢。
而宇宙中質量最大的天體的宿命必然會變成黑洞,所以我們經常會說,黑洞視界外的時間流逝很慢。
其實任何質量大的天體,周圍時間相對於地球流逝都很慢,但是星體的質量一旦突破史瓦西極限就必然變成黑洞,所以黑洞如今也是時間變慢的代言詞了!