02.27 一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

上文 最後問到:

生活在轉盤上的生物會時刻感到一股力在拉著它,轉盤生物將其稱為引力,那麼這個引力與我們現實世界中的引力有何區別嗎?

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

實際上,轉盤生物之所以會將其稱為引力,那隻不過是因為該生物不知道外部世界的存在,它將轉盤當作了整個世界,而我們知道,這個生物口中的引力不過是我們認為的慣性力罷了。

轉盤生物之所以不這麼看,因為它不覺著自己所處的世界正在旋轉或者其它什麼,只知道它所在的世界,圓周率不同於歐氏幾何。如果考慮到這點,對於我們來講,轉盤世界中所謂的引力不就和空間幾何掛上鉤了嗎?

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

當轉盤上的空間發生彎曲,就產生了轉盤世界中的引力。現在看來,這與後來廣義相對論對我們現實世界中的引力所作的解釋是何其的相似。

但這裡我們需要特別強調一點:轉盤上所謂的引力,並不是我們現實世界中的引力,原因在於轉盤引力產生於空間彎曲;而現實世界中的引力,產生於時空彎曲(或者說,引力不存在,有的只是時空彎曲對物質運動的影響,在我們看來,彷彿有一股力存在著,牛頓將其稱為引力)。

正好藉此機會,再次澄清一下加速度和引力之間的關係

有不少朋友在此之前都聽過這個轉盤實驗,他們的思路是這樣的:等效原理告訴我們加速度和引力是一回事,只要有加速度存在,那麼我們就可以將其看作引力場,比如轉盤實驗中的轉盤系,它是一個非慣性系,裡面有加速度存在,因此它等效的引力將會彎曲時空。


一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)


一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

實際上剛才的這段話犯了好幾處錯誤。

第一處:等效原理說的是均勻加速場與均勻引力場等效,而不是什麼加速度等於引力(實際上廣義相對論中根本不存在均勻引力場一說),所以加速度根本不會導致時空彎曲

第二處:搞混了空間彎曲和時空彎曲,這是兩個看似相近的概念,但實際上並不一樣,就如同轉盤上的空間彎曲了,但其時空並沒有彎曲,而引力的正確解釋是時空彎曲,所以之前我們一直強調的都是轉盤世界中的引力,此引力非彼引力。

最後再說一個問題,對於這個轉盤實驗,你認為它是屬於狹義相對論範疇還是廣義相對論範疇呢?

關於這一點,如果這幾篇文章你都有看的話自然是知道屬於狹義相對論的範疇。

但很多人仍然轉變不過來這個觀念,一直堅持用慣性系與非慣性系的標準來劃分相對論,實際上這個觀點不僅老而且也不嚴謹,比方說慣性系如何定義,想要定義慣性系,那就必須找到一個靜止或者勻速直線運動的物體,而如何判斷這些物體處於靜止或者勻速直線運動呢?很顯然,我們必須要用另一個慣性系去進行對比,如此反覆,慣性系根本無法找到。

因此後來的科學家們就用了一個更加本質的標準來對相對論進行劃分:以背景時空是否彎曲來區別狹義相對論與廣義相對論

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

因為時空是否彎曲是個打不破的屬性,彎就是彎,直就是直,不論你身處怎樣的參考系,如果事先已經規定了物理事件發生在哪一時空,那麼就不存在一個環境下會出現兩種不同的時空,就比如地面觀測者處於平直時空,而轉盤生物則處在彎曲時空,這是不可能的,轉盤僅僅是空間彎曲了,而時空仍舊是平直的。

再比如雙生子佯謬,弟弟留在地球,哥哥做飛船去宇宙旅行,地球可以看作一個很好的慣性系,因此弟弟所處的就是慣性系,無固有加速度;而哥哥所乘坐的飛船,則明顯是一個非慣性系,存在固有加速度,於是很多人說哥哥所在的飛船有加速度,依據等效原理,飛船所在的時空彎曲了。然而我們在討論雙生子佯謬時,其背景時刻已經約定是平直時空了,因此不論飛船飛出什麼花樣,時空也不可能彎曲。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)

總的來說,保羅·埃倫費斯特提出的這個轉盤實驗(也被稱為愛因斯坦轉盤),是建立在狹義相對論基礎上的一個思想實驗,它為後來愛因斯坦進行時空幾何化想法的出現,提供了一定幫助。

補充一句:

轉盤實驗一開始假設這個轉盤是剛性的,因此就排除了材質因素,不會由於材質而導致其在高速旋轉時,周長會發生變化(比如轉著轉著就畸形了);但實際上並無剛性物質存在,因此這個轉盤在由低靜止向高速旋轉時,即便仍是不考慮材質本身的影響,也還是會受到相對論尺縮效應的破壞,最終會粉碎,每一點都會粉碎開來。

一個轉動的圓盤能引起空間彎曲?愛因斯坦是這樣解釋的(三)



本篇文章的內容到此結束。

謝謝各位閱讀!

以後還會不斷更新精心準備的通俗科普長文!

期待您的點評和關注哦!


分享到:


相關文章: