03.02 爱因斯坦相对论中的“时空弯曲”,在常人看来简直荒谬至极,到底是怎么个弯曲法?

殊宇


爱因斯坦把引力解释为时空弯曲,这确实是思想上的一大飞跃。那么,爱因斯坦为什么会提出这样的想法呢?

在狭义相对论提出之后不久,爱因斯坦发现,万有引力定律不符合相对性原理,表明这个引力理论是有局限性的。由于任何质量的物体做自由落体运动,它们的运动规律都是一样的,这与物体的质量和组成没有任何关系。爱因斯坦想到,引力在本质上或许就不是力,而其实是几何效应。

这个思想上的突破,最终促使爱因斯坦创立了一种与万有引力定律不同的引力理论——广义相对论。在广义相对论看来,质量体弯曲了空间,导致物体会沿着弯曲空间运动,这样就产生了引力作用。

至于三维空间是如何弯曲的,为了便于理解,一般都以二维平面作为示例。想象一张平坦的二维平面,其中有重物压在上面,导致平面被弯曲。如果有其他物体靠近这个弯曲空间,它就会沿着其中的空间路径运动。如果用三维空间来表示空间弯曲,应该是下图这样子:

爱因斯坦的想法非常成功,因为广义相对论的很多预言,比如引力透镜效应、引力波,最终都被高精度实验的所证实。


火星一号


荒谬吗?我觉得爱因斯坦的想法用一个形容就是“妙”。

并且这是我小学的时的感受,那个时候看电视科普节目,说天体运动,将时空比作一个弹性网,质量大的天体会把附近的网压下去,于是周边原本笔直的路径就很自然的变成弯的了。

也可能是那时候还太小,也不知道牛顿的万有引力,只是看到电视画面上如此直观的解释,实在是让人一看就感觉眼前一亮,感觉特别正确。

后来也看来不少科普书,里面的描述语句大都如电视上所言,直到有一天(应该是高中吧),我突然想到了,如果说天体就是把弹性网压凹下去的球,那是谁拽它下去的?不还是引力吗?那不就相当于没解释什么是引力吗?然后我就觉得这个用网和球的比喻太不恰当了。

后来我自己想了一个比喻,时空像一块弹性海绵,天体就是一颗球,然后被塞进去了,也不需要有谁来拽它,很自然的海绵内部就被挤弯了,就如时空弯曲了。

再后来我发现,这些其实都是比喻而已。质量能量都会导致时空曲率变化,进而影响一个物体的移动,实际上物体自身从来都是走的最短路线,在欧氏几何里是直线,但到了广义相对论这里,变成了黎曼几何(会弯曲的几何),于是最短路径就叫做测地线,物体都是按照它走的,在我们看来,地球走的最短路径就变成了绕太阳的椭圆。

最后,有为科学家是这样说的:物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


爱因斯坦提出“时空弯曲”是因为牛顿等万有引力定律并不完美,牛顿只知道小质量天体会绕大质量天体旋转,把这种现象归结为引力的作用,但是牛顿并不知道引力是怎么产生的。

爱因斯坦广义相对论中的物质和时空是紧密联系在一起的,物质决定时空如何弯曲,时空决定物质如何运动,而牛顿认为时空是绝对的,几百年来绝对时空观都统治着人类。


爱因斯坦认为引力不是一种“力”,而是由于时空弯曲而造成的一种几何现象,地球之所以绕着太阳转就是因为太阳巨大的质量导致了太阳系的空间发生了弯曲,所以地球等一众天体才乖乖的绕太阳转。

平常解释相对论中的“时空弯曲”的时候,为了生动形象往往是把太阳系描绘成一个二维平面,太阳巨大的质量导致平面向下凹陷,进而地球才回绕着太阳转。

但是我们的空间是三维的,也就是说这种时空弯曲是体现在所有的方向上的,并不是垂直向下,所以时空弯曲其实被称为时空扭曲才合适。

想要观测到时空弯曲就必须看的足够远才行,哈勃望远镜拍摄到的遥远星系有一部分都是通过“引力透镜”来完成的,也就是说遥远星系发出的光被其路上的其他大质量天体的“时空扭曲”而形成了类似于放大镜一样的效果,人们用引力透镜来发现更遥远的天体。


宇宙探索未解之迷


这个问题收藏几天了,今天才有时间静下心来好好回答一下。在回答之前,我看了答案区各位小伙伴的回答,大部分小伙伴的回答都是正确的,我为小伙伴们都能有这么高的水平感到非常高兴。

我在这里只针对各位小伙伴的回答补充点内容。

1、时空弯曲其实只是爱因斯坦对于引力的几何表述。爱因斯坦认为引力是时空弯曲造成的表现。

2、时空是怎么完全的,那位说往海绵里塞个球的解释最形象。那些往弯曲的网上放个球的只是一个维度的弯曲,实际上,质量带来的空间完全是三维的。

3、爱因斯坦的时空弯曲是不完备的。这是因为爱因斯坦的数学工具用的是黎曼几何。这种几何学包含了平直、弯曲和翘曲,也就是平面、圆和马鞍面这种弯曲。并没有扭曲,或者说叫空间自旋。这块正是咱们中国的物理学家杨振宁的理论,是广义相对论非常有意义的补充。

4、爱因斯坦跟牛顿一样,并没有给出引力的本质。引力究竟是怎么来的,还是没有答案。

5、其实牛顿跟爱因斯坦的视角不同,牛顿那个时代,不清楚光是什么,所以更不知道光速不变,所以牛顿对于时间的理解肯定是没有爱因斯坦深刻。但牛顿很可能也会画出空间中弯曲的重力等势面,只是在牛顿看来,空间是平直的,但是空间中重力等势面是弯曲的。也就是说,牛顿的意思是引力在空间中大小会变化、方向会改变。而爱因斯坦把引力看作是空间弯曲的效果。二者解释的角度不同。

我是郭哥论道,一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学,让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣、更有料的科普搬运工。耐心看完的小伙伴,留个言、点个赞加个关注再走呗。


郭哥聊科学


王质烂柯的故事:虫洞、时空弯曲、缩地遁地术以及时空频谱——

1.

烂柯,是中国围棋的一个代称、一个别称。

烂柯山,也名闻遐迩,位于浙江衢州,原名石室山。

这两个名称,都来自于王质烂柯的典故——

晋朝时有一个叫王质的人到石室山砍柴,见两个童子下棋,便放下斧子观棋。童子给他一枣核状的东西,吃了不觉饥渴。未久,童子问:你怎么还不走呢?王质去拿斧柄,竟然已经朽烂了。等王质回到家,竟然已经过去数百年了,同一时代的人早都没有了……

王质何以穿越?何以隔世?

是王质吃了“仙家仙丹”,进入了奇境?

是王质观棋专心致志,进入了化境?

童子不催,或许过去的就不是数百年,而是上千年了。

那过去的数百年时间又去了哪儿呢?

2.

神行太保已成为汉语中的一个成语,本是水浒传108个好汉中戴宗的绰号。

戴宗上应天速星,深谙神行术——将神行甲马拴在腿上,能日行八百。这是戴宗的拿手本事、看家本领。

因此,《水浒后传》作者陈忱说:戴宗之神行法,张清之石子,花荣之射,燕青之厮扑,安道全之医,可称梁山泊五绝。

戴宗被排在最前,确实是有不凡的能力。

李逵之所以被戴院长治得服服帖帖,也是因为戴宗神行术的捉弄。

在水浒传中,戴宗竟然还不是神行得最快的,还有一个马灵能日行千里。戴宗才行十六七里,马灵已经跑了二十里。后来戴宗还得向马灵学习。

若具体问,这神行甲马是个什么东西,神行术是什么样的法术?人们不得而知。

其窍门或许和缩地术有关。

传说中的缩地术能变远为近,千里之远,不同空间,瞬间可达。

晋朝葛洪《神仙传:壶公》中,壶公收了费长房作徒弟,后来“ 费长房 有神术,能缩地脉,千里存在,目前宛然,放之复舒如旧也”。“或一日之间,人见在千里之外者数处”。

而缩地术又和遁地术是“姊妹篇”。

封神演义中的土行孙则以遁地术屡屡见功,其学艺千年,土遁能日行千里,因为是在地下遁行,难度比戴宗、马灵要大。遁形潜藏,来无影,去无踪,让敌人防不胜防。

也是山外有山,人外有人,土行孙的克星是张奎,因为张奎的遁地术能日行一千五百里……

3.

我们再来看看现代科学的一些概念。

一、时空弯曲

一张A4纸上,从A点到B点的一条平行线,距离是AB;如果纸由AB点的中点折叠,那么AB点重合,也就是AB点的距离为零。

或者反过来说,将一张A4纸对折后,用铅笔在纸上穿个洞,形成AB两个洞,那么二者距离为零。如果将纸打开铺平,AB两个洞的距离为AB。

这个演示是时空弯曲乃至折叠的演示,时空弯曲中两个点距离即使是看上去遥不可及的,但是因为弯曲,曲度越大,距离越短,一旦两个时空折叠,距离为零。天文数字的距离就有可能变成零,瞬间可达。这使时间旅行有了假想的依据。

二、虫洞

苹果上一只虫子,要到达果核为中心的对称点,势必要做圆周运动,距离是二分之一的周长。但是如果虫子蛀出一条直径,就会大大缩短运动的距离和时间的长短。

虫洞就是不同时空的捷径,虫洞的假设使得时间旅行成为可能,人们或者可以通过虫洞进行瞬间的时空转换、时空穿越。

4.

那么我们再看看王质烂柯的故事,它的寓意何在?

王质进入了另一个时空,或者说是弯曲或折叠的时空,王质从A到B的时空距离基本为零(原本是数百年)。而同时代的人们和社会仍沿着时空的圆周在生活,从A到B的距离是实实在在的数百年。

再看土行孙的遁地术,更像苹果上的虫子的比喻。土行孙日行千里,而普通人步行走一千里要10多天。土行孙更像走得是虫洞,遁地术近于苹果上的虫洞比喻。

而缩地术,更像A4纸弯曲的比喻。

王质烂柯,则更近于A4纸折叠的比喻。

5.

虫洞的时空旅行假设,在科学家的眼里是危险的——因为奇点、因为黑洞白洞的能量场等,人们就是找到了虫洞,在穿行中也基本上会被烧为灰烬。

而神话传说或许给人们的启示是——

首先,人们与时空形成统一或同一的频谱(甚至是更精微的频谱),就能够瞬间实现时空穿越、时空旅行。王质是与童子达到同一时空场(时空浑一、静止),因此和神仙一样——洞中方一日,世上已千年。

第二,人们和更高形态的能量场或时空场达到一致,也许就能够通过科学技术,像传真机的作用一样,实现即时的传递。

第三,当人们与更高能量场或时空场的频谱达成一致,就可以做到避免原来不同物质、不同频谱、不同能量的伤害性。

科学离不开大胆假设,离不开思维实验。科学原理和神话传说在想象力上是相通的。

想象是创造的相貌,更是创造的内心。

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最前沿,先行者总部——
生命本悟,快乐本心。
天人本一,智慧本光。
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经行天下光未央


由于自然界是不连续的,存在着质的变化。因此,对于人类的认识来说,自然界就是一个无法打开的黑箱子📦。

所以,人类的认识只具有相对的意义,其所创建的各种理论,都只是相对于一定的现象和实验,关于自然界的同构系统。

各种自然现象和实验都是人类给予自然界的输入信号和输出信号,当理论与自然界相对于这些信号是不可分辨的,理论就被暂时视为自然界本身。

广义相对论的进步意义在于,建立了空间与物质的统一联系,是相对于新出现的现象和实验,如水星剩余进动、光线弯曲和引力红移等,关于自然界的同构系统。于是,由经典力学的机械世界变更为广义相对论的几何空间。

那么,广义相对论的空间弯曲为何难以理解呢?

地心说的本轮均论,也是难以想象的,但在数学上,与日心说却是相同的。从表面上看,上述两个理论的区别,只是因为它们选取的参照系不同。根据狭义相对论,所有的参照系都是平权的,所以地心说与日心说是等价的。然而,实际上,地心说是唯象型理论,缺乏具体的物理机制,最终会由构建型的日心说所取代。

与地心说相类似,广义相对论也是唯象型理论。该理论用几何的空间弯曲,取代了具体产生引力的物理机制。这就是物质引起空间弯曲的解释,难以理解的原因。

量子力学的产生,表明宇宙是由量子构成的。离散的量子构成空间,由高能量子组成的封闭体系成为物质。

由于物质的封闭性小于1,所以物质并不是完全独立的个体,其与空间存在着相互关联的影响。比如,物质会对外辐射能量,使空间产生热的梯度分布。

于是,另一物质会因此受到空间量子的不对称碰撞💥,这就是产生万有引力的物理机制。


淡漠乾坤


时空弯曲是基于空间是黎曼几何空间的物理学推论。

爱因斯坦的广义相对论,是以黎曼几何为数学基础的,也就是以一种非欧几里德几何的椭圆几何为基础的。因此,广义相对论的推论就是黎曼几何的数学推论。

因此,从本质上看,弯曲的不是真实的物理空间,而是广义相对论的数学空间—黎曼几何空间。所以,为了使观测到的物理现象、天文现象符合广义相对论的数学空间,就不能不曲解观测现象以符合广义相对论的物理结论。

爱因斯坦将引力归结为时空弯曲的表现,不仅没有说明引力的本质,相反,使引力变得比牛顿的超距作用更加神秘。显然,爱因斯坦是倒因为果了,如果时空弯曲是引力造成的,那么造成引力的原因又是什么呢?爱因斯坦和牛顿一样,回答不了。

从爱因斯坦的引力场方程,能推出宇宙半径来,说明广义相对论的宇宙是一个有边界界定的宇宙,这个边界就是黎曼几何的边界;但真实的宇宙是没有边界的,因此,广义相对论也是有限数学空间的物理理论。有限数学空间的物理理论,自然也是有限的理论,当有限的理论无限外推时,必然会失效,所得出的结论也会是错误的甚至是荒谬的。

相对无限的真实的宇宙来说,远不是爱因斯坦的引力场方程所能描述的。以广义相对论为基础的宇宙学,更是提出了所谓宇宙起源于大爆炸的学说,霍金甚至预言人类将在2032年毁灭;宇宙学不仅变成了现代神学,甚至堕落为了中世纪的巫术!而且众多的人对这些有悖常理的胡说八道,深信不疑,还自诩为最尖端的物理理论。

当物理学越来越偏离实验为基础的实证发展方向时,靠数学推理预测将会发生什么物理现象就会成为主流。物理学自爱因斯坦之后,就是这样发展的,逐渐演变为了靠数学推理的形而上学,所以才会产生霍金这样的宇宙神话大师,并越来越使物理学与宗教神学合流成为迷信的源泉。


经济相对论580


在广义相对论的唯象解释中,有两个事例可反映所谓的空间扭曲。一个是光线穿越大质量恒星表面附近产生弯曲,另一个是黑洞将光线锁住后形成的视界面。

由此可知,空间扭曲并非是科普图片中所描绘的一个球将一张平面膜压弯后的形状,那种画法绝对是没有理解广义相对论方程提出的空间扭曲的含义!而很多人被这种图形误导了!

广义相对论空间扭曲的含义是,在一个大质量球体的所有方向,单位尺度的长度发生了变化。

顺便说一句,NASA提供的引力波示意图也是错误的,因为引力波不是平面波,而是引起空间全方向变化的立体波。

另外,即使本人按广义相对论方程对空间扭曲进行了解释,但本人并不认同质量造成空间扭曲的含义。对此,本人提出了《负空间论》,一种更合理的″空间扭曲″解释,即所谓"空间扭曲",其实是负空场所引起的陷势场。

按广义相对论中空间曲率张量的二阶偏导数的要求,空间的维度必须是连续的,但空间是不可连续的,否则将与牛顿力学的事实不符。

换句话说,空间是无法被弯曲的!


空间的奥秘


【回答:常人看爱因斯坦相对论“时空弯曲 ”荒谬至极就对了,原因是“看”不到!】

我们知道,物质世界中,包括宇宙空间中,所有以物质的形态存在的物体,都处于一种动态的平衡之中。可以想象一下杂技演员,拿着一根长长的杆走在钢丝上,这就叫动态的平衡。对于常人来说,时空用眼睛都看不见,还弯曲?这不是荒谬至极是什么?

实际上,三维世界的时空,包括我们站在地球上,可以用手触摸到的空间,都是弯曲的,只不过人们用眼睛看不到而已。这样说,有小伙伴问了,那么,在地球上我们可以看得到的两个点,一条直线的连接,是我们的错觉了?不是的。是我们眼睛可以丈量的空间太小了。可以这样比喻一下,地球是圆的,我们的眼睛可以丈量的曲度又是多少?

现在,放大到宇宙,以太阳系为参考。

所谓的时空弯曲,实际上,是能量变化的结果,而且,这个能量的变化,一直维持在一个动态的平衡之中。如果这个动态平衡被打破,对于地球,对于人类,将是灭顶之灾。现在,笔者抛出一个概念,可能有很多的读者不认同,没关系,明着自明。

我们所处的物质世界,始终处于一个阴阳的平衡之中,阴阳,既是所有物质的属性,同时,也是所有的物质的能量,阴阳图就是这个动态阴阳平衡最形象的描述。

因此,弯曲时空具体的表现形式就是阴与阳之间的比例,由于阴阳具有能量,所以时空的弯曲是不平均的,也不是网格化的,是不停地运动着的。

老祖宗早在几千年前,就告诉了我们世界的组成。

这就是,传统文化的魅力。

最后说一句,人体本身就是一台精密的仪器,它可以让你的未知,成为真实的感受。


老祖宗的智慧


时空弯曲是爱因斯坦广义相对论中研究的内容,这种理论认为引力从本质上来说是时空弯曲的外在变现,并不是真实的力。简单的理解就是物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。

时间如何弯曲?三维空间如何弯曲?我们头脑中的绝对时空观念根深蒂固,认为时间是绝对的,你的时间和我的时间并没有区别。空间是绝对平坦的,想象不出怎样弯曲。

但是我们可以类比一下,把时空看做一张巨大的薄膜,有质量的物质放在上边,会导致这张薄膜出现凹陷,凹陷的越深弯曲的程度越大。
黑洞中的光无法从黑洞射出来,那么光是没有静止质量的,引力如何对它起作用哪?在这里用时空的弯曲就好解释了,光有沿直线传播的性质,在弯曲的时空中它是在黑洞视界内“绕圈圈”,但是如果光有意识它并不会认为自己走的是曲线。它是按照直线走的,只是因为时空弯曲表现出的是走的曲线。

时间的弯曲体现在时间的流逝速度上,时空弯曲程度越大,外在表现引力越大,时间膨胀效应就越明显。也就是说时间流逝速度越慢,因此黑洞视界上的时间几乎是静止的。

前两年被发现的引力波,它的实质上就是时空弯曲的涟漪,没有什么荒谬的。


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