引力是時空彎曲,我們能看到物體被地球引力吸引,為什麼看不到“彎曲狀態的時空”?

艾伯史密斯


引力是時空彎曲,我們能看到物體被地球引力吸引,為什麼看不到“彎曲狀態的時空”?首先我們要知道自愛因斯坦以後,空間是一個切實存在的實體,它能大能小,能表現出各種不同的曲率。而且你眼前能看到的任何事物的形狀,空間都可以表現出來。其實彎曲的空間隨處可見,只是我們沒有察覺!下面就讓我們將時間倒回100多年前,再回到愛因斯坦1905年首次發表相對論之後的幾年。

廣義相對論的出現

相對論的出現徹底改變了我們思考時空的方式。(這個時候還不能稱為時空,時空的概念來自於1909年閔可夫斯基)。愛因斯坦在其相對論中還引入了一個速度不變的概念:光在真空中的速度,對於所有慣性觀察者都有相同的測量值。

但是從愛因斯坦的角度來看,狹義相對論還一個嚴重的缺點。因為狹義相對論沒有涉及引力的問題,那麼如何兼顧引力呢?愛因斯坦就需要找到了他的廣義相對論,可以平等對待引力和加速度。

現在想象一個觀察者在一個均勻引力場中下落。如果下落的觀察者沒有外部的事物作為參考(例如,地面或感覺到風),在引力場中觀察者將無法知道他們是在加速下落,還是在空中漂浮!也就是完全處在失重的環境下。如果一個觀測者處在一臺密封完好,並且均勻加速上升的電梯中,他也無法知道自己的運動狀態是處在靜止的引力場中,還是在加速運動。這兩個效果不論是對觀察者的感受,還是任何物理實驗都沒有區別。

而兩者的區別只是一個簡單的幾何變換。換句話說,一個處理加速系統之間幾何變換的理論必然是一個新的引力理論。這就是我們常聽說的加速度和引力的等效遠離,愛因斯坦後來把這種想法描述為他一生中“最快樂的想法”。這個想法也就誕生了廣義相對論。

我們能看到空間的扭曲嗎?

正如我們所知,愛因斯坦在1915年末,發表了他的廣義理論。(1905年的理論是一個涵蓋大部分慣性運動的特例,後來被稱為狹義相對論。)該理論既是引力理論,也是加速度理論,最終建立了一個框架:有質量或能量的物體會彎曲其周圍的空間,物體會遵循彎曲的路徑運動。我們確實可以看到,彎曲時空的引力作用,但我們為什麼看不到彎曲的時空呢?

空間雖說是個實體,但如果我們把周圍一切的事物都拿走,或者深處在黑暗的深空,我們能看到什麼?在我們的宏觀世界,真空空無一物,如果沒有事物發射或者反射光線我們什麼也看不到,很明顯空間並不會於光子發生相互作用。唯一能做的就是彎曲光線。

廣義相對論的提出也做了很多匪夷所思的預測,其中我們最熟悉、最神奇的就是大質量物體彎曲光線的預測,這個預測也在1919年的日食觀測中得到了證實。那麼彎曲光線的效應也會帶來另一項推測,那就引力透鏡效應,大質量的星系或星系團會在其周圍彎曲光線形成透鏡效應,並且扭曲周圍的空間。下圖:

上圖可以清楚的看到背景星系的扭曲,因此我們可以通過大質量星系團造成的星光彎曲看到空間形狀的扭曲。那麼我們為什麼在地球上看不到空間的扭曲呢?有兩個因素。

首先地球的質量太小了,根本檢測不到因為引力造成的光線彎曲;還有就是我們生活在地球上,如果真的因為引力造成了光線略微的彎曲,由於沒有參考的物體,我們還是看不到。

那我們有沒有機會看到空間的扭曲呢?

有!我們都知道一種東西叫引力波,它是空間的漣漪,就跟池塘的水波一樣,水波經過的地方就會有波峰波谷,水面上的物體會隨著波浪起伏。引力波也一樣,會造成物體在一個方向上被拉伸,另一個方向上被壓縮,並且是在一伸一縮中來回變化。

不過引力波這東西十分微弱,遙遠黑洞合併,中子星膨脹造成的引力波衝擊地球時,只會造成五公里長的激光探測器的長度在原子核半徑的千分之一上變化。

因此,空間扭曲在宇宙中的引力透鏡、星光偏轉中隨處可見,但在地球上我們看不到,但不能說不存在。我們每天都在引力波中來回盪漾。


分享到:


相關文章: