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全网最通俗版本,深度理解爱因斯坦的广义相对论,时空弯曲的本质

  欢迎阅读科学认识论的《通俗物理100课》系列,此系列旨在提高大众基础科学素养,共一百多篇文章,定期更新,涉及物理学各个方面,包括宇宙学,量子力学,相对论,弦论,以及各种前沿物理学知识。专业+通俗=《通俗物理100课》【第1课:广义相对论】
  今天我们系统讲一下广义相对论,从最基本的原理出发,彻底帮助你理解为什么时空是弯曲的。
  引力是宇宙中最基本的现象,任何两个物体之间都会产生吸引力。
  不管是苹果落地还是月球绕地球旋转,地球绕太阳旋转,引力都会迫使物体之间靠的更近。
  可能很多人会认为,引力由物体的质量决定,物体的质量越大,吸引力就越大。
  在牛顿理论中,你当然可以这样理解,因为牛顿力学可以很好地计算苹果落地的时间,行星绕太阳公转的数据。
  但是事实上,引力并不是真正意义上的力。
  举个例子,假设现在有一颗卫星要落向地面,如果引力是一种力的话,那么卫星就应该落向地球的中心,但是真实的情况确是:当卫星落向地面时,它的运动轨迹会随着地球的自转方向发生偏差。
  还有一个例子,水星绕太阳的轨道会随着时间的推移以一定的速度改变方向。
  如果引力是一种力的话,那么我们就能够极其精确地预测这种运动轨道的偏差。
  但是牛顿的引力定律并不能很好地计算类似水星轨道偏差的现象。
  所以我们就可以怀疑,引力就不是一种靠质量相互吸引的力,而是时空弯曲造成的假象。
  广义相对论的最基础的思想来源就是等效原理。
  现在想象一个宇宙空间,周围十几光年都没有任何星系,所以我们可以把其他星系的"引力"干扰忽略掉。
  此时你在一个密闭的箱子里,你手里拿着一个小球。此时此刻你处于失重状态,如果你把手中的小球释放,会看到小球漂浮在原地。
  然后箱子底部有个推进器点火了,整个箱子以恒定加速度a "向上"运动。这时候你会感受到箱底有一股力拉着你向下运动,小球也会以恒定加速度a向箱子底部下落。
  如果这个恒定加速度的数值是9.81m/s²,那么你在密闭箱子里就会感受到和地球表面一样的效果。
  你会感受到箱子底部在拉你,这种"拉力"的大小和地球表面是一样的。你还可以看到小球向箱子底部下落的加速度和地面也是一样的。所以你是无法区分自己到底是静止站在地面上,还是在宇宙空间中以9.81m/s²的加速度运动。
  在箱子中的你,可能会认为自己是静止站在地面上的,所以受到了来自地球的"引力"。
  但是在箱子外的观察者看来,你其实和小球都没有动,箱子也没有在地球上,更不会受到来自地球的引力,只是箱子底部以恒定的加速度"向上"运动撞到你和小球了。
  现在我们关闭箱子底部的引擎,你这时候又处于失重状态了!
  这时候你拿了一个手电筒,当你打开手电筒,这时候引擎又启动了,你一开始将光线照向箱子右侧的中心点。
  但是由于箱子底部向上有个加速度,你最后看到光线会落在箱子右侧中心点的下方。所以你看到的光线是弯曲的。
  同时,箱子外也有一个人观察你的行为,在箱子外的人看来,光线并没有弯曲,而是箱子底部以恒定加速度靠近光线。
  那么到底是箱子里的人是正确的,还是箱子外的人看到的一切是正确的。
  广义相对论认为,箱子里的人和箱子外的人都是正确的。
  由于箱子引擎的推动,箱子里的人会认为自己站在地球表面上。而箱子外的人会认为箱子里的人是受到了底部加速度的愚弄,所以才误以为受到了地球的引力。
  这样回头一看,我们是无法区分物体自由下落的行为是引力造成的,还是加速度的造成的。所以引力可以等效成加速度。
  质量越大的星球引力等效成的加速度数值就越大。
  接下来,我会好好分析一下,为什么光线弯曲会造成时间变慢的事实。
  刚才我们讲了,在宇宙深空中,以恒定加速度运动的箱子里的人,看到的光线是弯曲的
  而箱子外的人看到箱内的光线却是平直的。
  对同一个光线的观察,箱内的人和箱外人会得出不同的结果。很明显,箱子里的人观察到的光线弯曲了,光线的路径也就变长了。
  根据光速不变原理,箱内的人和箱外测量的光速反正都是一样的。而箱内人却明显感受到光线变长了。我们知道时间等于光经过的路径除以光速,由于光速不变,而箱内的光线路径变长了,所以箱内的时间就变长了。
  所以箱内的时间相对于箱外就变慢了。
  前面说过,星球的质量越大,等效的加速度就越大。
  黑洞的质量很大,所以等效的加速度就更大,加速度越大,箱内的光线弯曲程度就更大,所以光线经过的路径就更长,所以时间相对于参考系外就更慢。
  这就是天体的质量越大,其周围的时间越慢的缘故。
  一颗苹果在宇宙空间本来是沿直线匀速运动的,当它运动到地球的周围时,就受到了地球的引力,这时候我们可以把地球的引力等效成苹果受到的加速度,由于加速度的存在,苹果原本匀速直线的运动变成了曲线的了。你也可以认为苹果受到加速度后依旧按照原来的路径运动,但是地球却把周围的时空弯曲了,所以苹果不得不在弯曲的时空中运动,就显得是曲线运动。
  为了统一计算,广义相对论一般不再区分引力和加速度等效的问题了,而是直接说: 有质量的物体会弯曲周围的时空,其实也就等效于加速度带来的曲线运动。
  质量越大的天体,其等效成的加速度越大,所以周围的物体轨迹越弯曲,路径延长越大,时间也就越慢。
  但是这样说很麻烦,还不如直接说质量越大的天体,周围的空间和时间越弯曲。空间和时间越弯曲就相当于说路径越长,时间越长(慢)。
  空间和空间可以简称为时空。所以就成了我们经常听到的那句,天体质量越大,时空越弯曲,时间越慢。 而宇宙中质量最大的天体的宿命必然会变成黑洞,所以我们经常会说,黑洞视界外的时间流逝很慢。
  其实任何质量大的天体,周围时间相对于地球流逝都很慢,但是星体的质量一旦突破史瓦西极限就必然变成黑洞,所以黑洞如今也是时间变慢的代言词了!

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