苹果从树上掉下来并没有弯曲,爱因斯坦时空弯曲理论有什么证据?
爱因斯坦提出广义相对论后,将引力当成“时空弯曲的几何效应”,很多人表示也不能接受,这里面不乏有当时的一流物理学家,但是迫于爱因斯坦10年前提出的“狭义相对论”,这么一个反直觉的理论居然验证是对的,所以反对“时空弯曲论”的物理学家并未太过激烈的反驳爱因斯坦,大部分都是观望态度,认为先看看再说。
果然1919年,证明时空弯曲理论的证据出现了,我们都知道太阳系中有一个星球叫水星,水星一直围绕太阳做椭圆周运动,按照牛顿的万有引力公式计算出水星应该一直走一条轨道,但是实验观察发现水星每隔100年有43秒进动(所谓进动,就是指做椭圆运动的轨道会偏离一点点),这个误差按照牛顿理论就是无法解释,但是用爱因斯坦的广义相对论计算出来居然恰好就是43秒,这一次人类首次普遍接受广义相对论正确性的实验。
第二个支持广义相对论的就是“光线红移”,我们都知道光可以算是一种波,波就有波长,当一个波的波长变长了,谱线显示出来会朝向红色的一端移动。按照广义相对论来算外太空射到地球的光线,会因为时空弯曲造成时间变慢的现象,也就是会使得光的波长变大产生“红移”,去做实验后发现的确产生了“红移”,广义相对论再次被证实。
第三个支持广义相对论的就是“宇宙膨胀论”,因为按照爱因斯坦广义相对论的场方程,整个宇宙应该是不断膨胀才对,按照当时的观察条件无法直接观察太远的星系,所以无法通过实验来验证。但是随着技术的发展,居然发现整个宇宙真的在膨胀,而且是加速膨胀,这很不可思议,因为按照万有引力来解释,天体之间存在引力会相互吸引才对,就算是宇宙大爆炸最开始让天体彼此远离,引力应该会让天体减速膨胀才对,最后天体停止膨胀开始收缩。但是实验观察到宇宙居然是加速膨胀,注意是“加速”,爱因斯坦广义相对论场方程也会推出结论:宇宙膨胀结论。所以这个实验观察非常支持广义相对论。
第四个支持广义相对论的实验就是“光线的弯曲”,我们知道光虽然没有静止质量,但是却有动质量,所以经过大质量天体时,也会因为是时空弯曲从而造成光在空间中走曲线,当然根据牛顿万有引力定律也能计算出这个路线到底弯曲多少,于是人们做实验检测经过太阳附近的光。首先通过广义相对论计算出来是:1.75弧秒,然后根据牛顿万有引力计算出来是0.875弧秒,到底谁是对的?最后人们做实验发现计算结果是1.75弧秒,实验数据支持了广义相对论。
当然随着后来人类技术越来越发达,越来越多的现象观察到,证明广义相对论的确是正确的(比如人类首次公布第一张黑洞图像,再次验证广义相对论的正确性)。这也说明了有时我们长期积累的经验直觉未必就是真理,只有理性思考和实验才能揭示真相。
这个好说,先回顾一下牛顿第一定律:“物体所受合外力为零或者不受力的时候静止或者匀速直线运动。”广义相对论非常巧妙的推广了牛顿第一定律的这个思想。
就以苹果下落为例,在广义相对论中,“引力”的概念被“时空弯曲”的概念所取代(这里地球附近的时空区域可以简化成Schwarzchild Spacetime),所以“引力”在广义相对论里面也就不是“力”的概念,那么苹果下落自然是只受到引力的作用,那么按照广义相对论,只有弯曲的时候的概念,而没有引力的概念,所以这个苹果是没受任何“力”的作用,既然不受力,那么它应该在弯曲的时空中做“匀速直线运动”。而用广义相对论的话来说,“弯曲时空中的匀速直线运动”正是我们平时说的自由落体运动。
总而言之,用广义相对论的话来说“苹果下落”这件事,就是由于“苹果不受力,而在弯曲的时空中做匀速直线运动”所致的。
至于为什么“苹果下落”这件事用广义相对论的眼光来看,它做的是“匀速直线运动”,这是由于广义相对论是在四维广义黎曼空间里面讨论物理问题,时间空间都是统一的,而苹果在时空中的四维速度是个常矢量,其在四维时空中的轨迹是测地线(即弯曲时空中的直线),所以说它是“匀速直线运动”。至于更深刻的理解需要一种比较繁琐的数学知识,LZ需要学习近代微分几何才能明白,就不赘言了。
参考资料:
梁灿彬 周彬 《微分几何入门与广义相对论》(第二版)
P.A.M Dirac 《General Theory Of Relativity》
这本书有个中译本的:
http://tieba.baidu.com/club/8699916/tupian
有人就百思不得其解,爱因斯坦认为时空是弯曲的,为什么苹果掉下来没有弯曲呢?而且谁也没有看到时空弯曲是什么个样子,这个理论是不是爱因斯坦拍脑袋臆想出来的呢?
其实这个世界上真有这么一伙人,每天就在那里朝思暮想的,凭着吃饭拉屎的一点经验和逻辑,就像推翻一个伟大的理论,幻想建立一个震惊世界的理论,而且还忽悠了不少信徒,在网上聒噪。
但爱因斯坦的理论可不是这么来的,他忽悠的可是全世界的科学家。
他的理论已经经过100多年的检验,经过无数观测事实和实验证据检验,迄今没有一例反能够证伪他的理论体系,而且基于相对论的所有预言都一一不断的得到证实。
如引力波、黑洞、宇宙微博背景辐射、时空弯曲、引力透镜等等。
如果有人能够忽悠全世界科学家,或者忽悠住一群科学家,这个“忽悠”就一定有其存在的价值。牛顿力学,只知道物体具有一定的惯性质量,而把质量作为一个与时空无关概念。所以他虽然发现了苹果从树上掉下来,是万有引力的表现,但并没有发现万有引力的根源是什么。
爱因斯坦从研究质能关系出发,得出了质量会对时空导致扰动,是质量导致的时空弯曲,形成了万有引力的表象和结果。质量是万有引力的根源,地球扭曲时空的旋涡,把苹果从树上拉扯下来。
任何有质量的物体都会对时空造成扰动,无论是一个原子,还是一个人、一座山、一个天体都是如此。
只不过引力是四种基本力中最弱的力,小质量物体对时空造成的扰动很小,难以观测,大质量物体才比较明显。
就像把一个物体丢入水中,都会对水造成扰动。如果丢一只蚂蚁进去,几乎看不出来,而丢一块大石头,或一个人跳进去,造成的扰动就很明显了。
时空扭曲的结果,就是在物体周边形成时空旋涡,或叫时空陷阱。质量对周边的影响不仅仅是空间,还包括时间,概括起来就是时空。时空是不可分割的,在不同的重力场影响下,时空扭曲的程度不同,时间会发生相应的膨胀效应。
两个临近物体受到双方导致的时空旋涡或者陷阱的影响,就表现出了引力效应,它们相互掉进对方的旋涡中,看起来就是相互吸引。
当两个天体质量悬殊时,小天体就会掉入大天体的陷阱中,看起来就是大天体吸引了小天体。
牛顿的万有引力理论描述了物体之间相互吸引的关系。
这种相互吸引的力度与它们的质量乘积成正比,与距离平方成反比。可以用引力公式表示:F=GMm/r^2
公式中F表示万有引力量;G为引力常量,即6.67×10^-11 N·m^2/kg^2;M和m为引力相互作用大小物体(天体)质量(kg);r为它们之间的距离(m)。
很多科学家用绷紧的床单来做实验,用大小物体对床单的压迫造成的效应,来表现质量对时空导致的扰动。被绷紧的床单就像一片时空,我们用大小不同的一些铁球当做天体(或任意物体),大的铁球在床单上陷入的坑就又大又深,小的铁球在床单上陷入的坑就相应较浅。
如果用一个比较轻的塑料球,虽然很大,但在床单上陷入的坑也会较浅。这说明对时空扭曲的影响是与质量成正比的。
当两个质量相当的球靠近时,就会相互掉进对方形成的凹坑,看起来就像相互吸引。
当质量小的球靠近质量大的球形成的凹陷时,小质量的球就会滚向大质量球形成的凹坑,表现出来就像大球吸引了小球。
当这些小球有相应的速度时,就不会掉入大球坑底,而是围绕着那个坑边沿旋转。
这就是环绕速度。当速度大于环绕速度时,小球就能够逃脱那个凹陷,这就叫逃逸速度;当小球小于环绕速度时,小球就会无可奈何的掉入大球的坑底。这些实验充分说明了地球为什么围绕着太阳公转,旅行者1号为什么能够飞出太阳系,各位能理解吗?
当然,这个实验只是形象的表示了质量对时空的扰动,以及大小质量形成的时空旋涡相互影响机制。
但这个实验无法真正的描述时空状态和扭曲状态。
因为在我们宇宙,时空无处不在,就像汪洋大海,宇宙所有天体物质都是在这个海的深处,就像一条一条鱼,对周围的水会产生扰动,形成的旋涡或者陷阱是全方位的,并不像床单上是平面的,有统一方向的。
至于一些人硬要说时空弯曲理论看不见摸不着,只是爱因斯坦拍脑袋的臆想,这是因为这些人根本没有认真学习了解科学信息和动态,或者选择性失明。事实上,爱因斯坦的广义相对论一出台,时空弯曲理论就被证实了,最著名的例子是完美的解释了水星进动问题,以及星光通过太阳附近时,会被太阳引力导致偏转的预言得到证实。
所以,时空弯曲理论是既看得见,也摸得着。
水星近日点进动是一个世纪难题。1859年,法国天文学家勒威耶发现水星在近日点进动的观测值,与牛顿定律得出的理论值有误差。
根据牛顿定律,水星近日点应有每世纪ΔωN=5557.62角秒的进动,而实际观测值为 ΔωO=5600.73角秒的进动,二者相减得每世纪误差 43.11角秒。
很多科学家对这种现象进行了研究,都没有找到答案。一直到1916年,爱因斯坦的广义相对论问世后,其中的空间弯曲理论才完美的解释了这个问题。
这成为时空弯曲理论最有力的一个证据。
时空弯曲理论还预言了遥远星光经过太阳附近时,会因为太阳质量导致的时空弯曲而产生1.7角秒的偏转。
1919年,英国天文学家爱丁顿为了验证爱因斯坦这个预言,专门组织了两支远征队,分赴巴西和非洲,通过观察日全食,证实了爱因斯坦的预言是完全正确的。
这在当时引起了世界轰动。宣布这个结果时,英国皇家科学院沸腾了,爱因斯坦的相对论成为风靡世界的伟大理论。
质量不但弯曲了空间,还膨胀了时间。在大引力场里,时间会变慢,这已经被很多实验和观测证据所证实。最简单典型的例子就是GPS导航卫星。由于GPS导航卫星在2万多千米高空运行,由于地球质量引起的时空弯曲度比地表要小一些,根据广义相对论测算,其上面的原子钟就会比地面要快一些,每天快约45微秒。
这样结合GPS卫星高速运行导致的时间膨胀效应,每天要慢7微秒,正负抵消后每天要快38微秒的实际情况,对原子钟的运行频率做出相应的调整,才能够使导航更为精准。
这个相对论效应成为我们人类普遍运用的一种实践活动,如果还不相信,那实在就是选择性失明了,假睡的人是没法子叫醒的。
就是这样,欢迎讨论。
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是有依据的,是根据万有引力的作用。任何物体之间都有相互吸引力的。这个力的大小与各个物体的质量成正比例,而与它们之间的距离的平方成反比。
证据就是时间的快慢在不同的状态下也不一样,时空不可能一直处于一个速度。所以他说时空会弯曲,就是这样的一个原因。
爱因斯坦时空弯曲理论有了质量会对时空导致扰动,是质量导致的时空弯曲的证据。
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