怎麼測量時空彎曲?

董加耕


時空彎曲是《廣義相對論》中的一個猜想。愛因斯坦猜想我們的時空會受到大質量天體的擠壓而發生彎曲。



時空彎曲如何被證實

1916年愛因斯坦的《廣義相對論》正式發佈,而時空會受到大質量天體影響發生彎曲是愛因斯坦第一個要去證實的猜想。愛因斯坦認為我們的太陽已經足以使時空發生彎曲,所以我們可以觀測到太陽後方的恆星,而這顆恆星由於受到太陽周圍時空發生彎曲的影響會把自身的像成在太陽的旁邊。可是太陽的光線太過於耀眼,所以我們要找個太陽光線較暗的時刻去驗證時空彎曲的現象,而驗證這一猜想最好的時刻便是——日食!

於是愛因斯坦向全球科學家發出邀請,邀請他們在全球發生日食的時候去觀測太陽周圍的彎曲現象,幫助自己去證實這一猜想。之後在1919年5月29日愛丁頓和戴森的觀測隊在這次日全食觀測中,證明了愛因斯坦所說的:由於太陽後方恆星發出的光在經過太陽時會發生彎曲導致這顆恆星的成像發生位移。
就這樣
《廣義相對論》中的第一個猜想在這次日全食中被正式測量證實。


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空間彎曲是廣義相對論的四大預言之一。好像還是第一個被實驗檢驗的預言。

當時愛因斯坦給出的檢驗方法很簡單,就是測量經過太陽附近的光線,只要對照太陽背後的星光在經過太陽附近時的位置變化,就能確定光線是否彎曲。由於太陽光強度太大,白天它周圍是看不見星星的,幸好在廣義相對論發表三年後,就發生了一次日全食,英國天文學界就組織了兩支觀測隊分別前往兩個全食帶經過的地區,其中由愛丁頓帶領前往非洲的觀測隊成功拍攝到全食照片,雖然有點模糊,但還是能分辨出星星位置確實發生位移,並且當時公佈位移量與廣義相對論的計算結果吻合。


這是愛丁頓當時拍攝到的日全食照片。
雖然光線彎曲被實驗驗證了,但是很多人並不服氣,憑什麼光線彎了就是空間彎曲造成的?這個貌似可以通過狹義相對論中的光速不變論證,不過這就太長篇了,我不想寫那麼長(◔◡◔)

說完空間彎曲,下面來說時間彎曲吧,這其實就是引力場時間膨脹。這個已經有大家非常熟悉的GPS衛星導航系統精確證明了,在不同的高度下,衛星時間需要根據狹義相對論和廣義相對論對速度和高度引起的相對時間同時進行修正。

你可能會奇怪時間彎曲跟時間膨脹有啥關係,怎麼說時間彎曲會扯上時間膨脹?其實這個問題可以用前面空間彎曲來輔助理解,因為在我們的慣性思維下,空間彎曲比時間彎曲更好理解。

用這個黑洞二維圖理解一下。這圖代表了黑洞在二維裡的彎曲,網格線代表平直空間裡的尺度,越靠近奇點,空間越彎曲,(圖中越垂直表示空間越彎曲)同時網格越小了,這就是尺縮效應。沒錯,引力場不單會導致時間膨脹,同時也會導致空間收縮,這兩個效應永遠是同步產生的,否則光速就要變了。但你可能會發現,橫向收縮了,垂直方向好像沒收縮啊,那是因為這個圖是側面看的,你如果從黑洞的上方看,就會發現現在的垂直網格也收縮了。而在三維空間看黑洞,我們實際上只能從它上方看,你永遠不可能從側面看。

三維空間看黑洞是360°無死角的ʘᴗʘ上圖就顯示,黑洞背後的吸積盤都彎到前面來了。(◔◡◔)

通過上面空間彎曲的分析你會發現,空間彎曲導致了尺縮效應,反過來我們通過GPS時間同步證明了時間膨脹也就同時證明了時間彎曲。


星宇飄零2099


時空彎曲,無法測量。

先來看包括時間在內的的四維時空的彎曲怎麼測量。按照廣義相對論,當ds^2=dx^2+dy^2+dz^2-c^2dt^2時,四維時空就是平直的,否則,四維時空就是彎曲的。請問,ds怎麼測量?測量了什麼才算是測量出了ds?有人說,測量物體運動過程中的固有時。在隨物體一同運動的參照系中,上述的表達式簡化為ds^2=-c^2dt^2,如果此式成立,則時空就是平直的,否則,時空就是彎曲的。測量出了固有時dt,不知道ds,能判定出時空是平直還是彎曲的嗎?而且,dt能等價於是ds嗎?

再來看純粹的時間能不能彎曲。請問,測量了什麼才算是測量出了時間彎曲?是指標準時鐘的走時變快或變慢了嗎?假設標準時鐘的走時變快或變慢了,請問,是與誰比較的?如果你有一個更標準的時鐘,第一,那個不標準的時鐘測量出的時間,就不是標準時間,它的變快或變慢就不是時間的變快或變慢。第二,請問,你這個更標準的時鐘會不會變快或變慢?如果會,它還能是標準時鍾嗎?如果會,請問,又該怎麼測量?有人說,時間彎曲,是指不同的地點,不同的引力場中,標準時鐘的走時速度不同,請問,引力場中的標準時鍾走時速度變化了,怎麼測量?

三維空間的彎曲,討論起來稍微複雜一點。但至少,當你說空間彎曲時,你不是隨口胡說,你肯定是測量後才這麼說的。你通過測量後發現,勾股定理不成立了,所以你說,空間彎曲了。請問,你能在一片空虛的空間中進行測量嗎?你的測量可以沒有測量的對象嗎?如果空間中空無一物,你測量出的那個使勾股定理不成立的三個長度值,從何而來?它們是誰的長度?你說,你在平面上畫出了一個三角形,然後進行測量,這至少要有一個實際存在的,由實體構成的平面,另外,還要有三條你畫出的畫痕,這個畫痕也是以實物形式而存在的。顯然,你測量的不是純粹的空間,而是具體的實物,你測量出的是這個實物,這三條畫痕這個實物,所具有的一個屬性。如果這三條畫痕不遵守勾股定理了,也許是這個實物受到了什麼影響,例如,畫痕所在的實物的平面因受潮而變形了。在引力場中,光線彎曲了,由三條光線所圍成的三角形不遵守勾股定理了,請問,這究竟是空間中的光線彎曲了,還是空間本身彎曲了?

純粹的空間究竟是什麼?我認為,純粹的空間,應該是指三維空間座標系。這個座標系是我們測量長度用的那個標準直尺的延長。如果這個座標系彎曲了,請問,怎麼測量?用標準直尺來測量這個座標系中的座標軸,但這顯然是自己對自己的測量,一個直尺,它能測量出自己在引力場中彎曲了嗎?用這個標準直尺的稜邊圍成一個三角形,再用另一個完全等價的標準直尺去測量這個三角形,假設符合勾股定理(注意,我這裡用的是“假設”一詞),再把這個由標準直尺圍成的三角形拿到引力場中,再用那個標準直尺去測量,它能測量出在引力場中,這個由標準直尺圍成的三角形彎曲了,不再遵守勾股定理了嗎?

如果說這個標準直尺在引力場中本身就彎曲了,如同前面說的標準時鍾在引力場中不標準了,請問,怎麼測量?


董加耕


引力波就是時空彎曲,所以測量引力波強度就是測時空彎曲度。


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