如何通俗易懂的理解廣義相對論?

長安屠狗輩


可能只需要一句話,即廣義相對論認為:引力是時空的幾何。


(為了通俗,後面儘可能不提及術語)


所以要充分理解只要明確兩個概念:

  • 時空

  • 幾何


時空

時空不是簡單的時間+空間,必須將觀念轉變為:時空是一個不可分的整體。(這個觀念最早由閔可夫斯基主張)

時空的一體性體現在光速不變性上,或者說這就是為什麼光速是一個常量的原因——因為光速是時空的內在結構。說白點,就是時空的結構裡面存在著一個固定的對應關係:一個段空間距離就是一段時間距離。而這個關係的量化就是光速常量c。[頭條·小宇堂——未經許可,嚴禁轉載]

時空的這種一體結構,用我們日常生活的經驗不大容易理解,但實際上我們是有可以類比的生活經歷的。只是要提醒你注意一下,這也就是所謂的:時間-空間壓縮效應。


上圖:時間-空間壓縮效應——技術縮小了我們的世界。

  • 1500-1840年代:航海船

  • 1840-1920年代:火車和蒸汽船

  • 1920-1940年代:螺旋槳飛機

  • 1940-現在:噴氣式飛機


上圖:再換一幅橫向的圖,看得清楚一點。

  • 1970年代,三桅杆小型船隻

  • 1930年代,螺旋槳飛機

  • 1990年代,噴氣式飛機


時間跟空間的關係就是這樣,速度越快那麼能夠在單位時間內跨過的空間距離就越大,但這種趨勢不是沒有極限的,它受制於我們時空的結構,任何相對速度都不能超過一個極限——光速c。因為要足夠通俗,所以這裡就不再詳細闡釋相對速度的非線性關係以及洛倫茲因子等等概念,只要記住:速度總是有參照點的,參照點不同,相對速度就不同,而不同的相對速度是都有共同的極限值,這是時空的結構造成的。



幾何

幾何,可以通俗地稱為“形狀”,也包含形狀的度量等等。通俗地說,廣義相對論的核心就是把引力解釋為時空的形狀。

上圖:時空的形狀,注意每個節點上的小時鐘代表了時間的量。

上圖:如果物體運動起來,這個幾何的概念就更清楚了。


(上面這兩個個是我能找到的最貼切表達廣義相對論的圖示了,很多圖示都是非常誤導的,尤其是那種蹦床圖和凹洞圖。)


上面這種被物體的質量“帶壞了的”三維網格,就非常形象地演示了引力與時空幾何的關係。但真實的時空網格是四維網格——除了空間的網格會發生疏密變化,時間也會相應發生疏密變化(這個略微費解一點)。於是,在大質量物體旁邊時間會走得慢一些。例如地球的地核,因為處於質量中心,它自45億年前形成至今,理論估算其年齡會比地球表面年輕2.5歲左右。如果按這個邏輯想下去,那麼黑洞周邊的物體的這種現象就會更明顯,那黑洞裡面……?(讓我靜靜,讓我靜靜……)[頭條·小宇堂——未經許可,嚴禁轉載]


總結一下

我們的宇宙在宏觀方面最複雜的關係就是質量跟引力的關係,因此廣義相對論對這方面進行了觸及本質的研究。廣義相對論主要揭示的關於宇宙的奧秘可以用這麼一句來描述:質量告訴時空如何彎曲,而時空的彎曲告訴質量如何運動。


小宇堂


男女朋友相互吸引,顏值收入越高吸引力越大,這是牛頓定律。愛情不是一成不變,突然有一天就塌了,一切都有可能,這就是相對論。


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