光线弯曲 只有在加速运动的场所中才能观测到惯性力,惯性力使物体呈现“滞后”的现象,即使是加速物体内部的光也会呈现“滞后”,这种“滞后”就是惯性力导致光线发生了弯曲。由于惯性力和引力实际上是一种力,也就是说光线在引力作用下会发生弯曲。其实光在地球引力(重力)的作用下,其行进路径就是弯曲的,只是由于光速太快,在地球上几乎察觉不到这样的弯曲。
空间弯曲 试想一下,两架飞机从赤道起飞,向着北方以平行的方式飞行,他们没有受到任何外力影响,但最终会在北极会合,这就是引力改变空间的例证。光线经过大质量天体附近发生了弯曲,这就是空间弯曲的结果,比如前面提到的爱丁顿观测日全食的著名实验。
现在我们得出结论,引力使空间发生弯曲,或者说天体因其质量所具有的引力使空间发生了弯曲。但爱因斯坦偏偏认为这个说法应该倒过来,是天体因其质量使空间发生了弯曲,所谓引力,不过是空间弯曲所产生的一种现象或者效果,即质量使空间弯曲,而空间弯曲才产生了引力。空间弯曲可以这样来想像:把空间想像成其上放有铅球的“厚橡皮垫”,铅球因其质量会使橡皮垫发生变形;如果在橡皮垫上隔开一点距离再放上另一只铅球,由于橡皮垫受压变形,两个球将变得稍微靠近一些,这就象是产生了“引力”。这样一种思想,同牛顿的万有引力定律是完全不同的,可以说是一个划时代的思想!
黑洞 广义相对论预言了黑洞的存在,现在实际已经观测到了黑洞。黑洞是超巨大恒星“死亡”后形成的奇特天体,它体积微小却蕴涵了巨大的质量,在其附近空间弯曲得非常厉害,以致于光一旦进入黑洞就无法跑出来。黑洞的中心是奇点,那里是科学未知的领域,由暂未被发现的物理定律所左右。黑洞也许就是宇宙中的隧道,通过它可以前往完全不同的宇宙。
引力波 广义相对论还预言了“引力波”的存在,如同在水中旋转的两个球,会使周边产生环状向外发散的水波纹一般,两个旋转的天体四周空间发生变形,也应该把这种变形向四周传播,这种波就被称为引力波。不过引力波至今还未被科学家所发现,一旦发现,毫无疑问将再为爱因斯坦的广义相对论增添更灿烂的光辉!
引力导致时间变慢 根据广义相对论,在引力越强的地点(大质量天体附近),时间流动得越慢(时间膨胀)。需要注意的是,狭义相对论的时间变慢是相对的,而引力导致时间变慢却是绝对的。事实上在海滨城市的时间与高原上的时间流动是不同,只是这种微小的差距我们几乎察觉不到。对于黑洞这样拥有超强引力的天体,离它越近,时间流动越慢。如果行进到黑洞的视界,时间甚至会停止。
真实的宇宙空间 由以上介绍我们可以想像真实的宇宙空间是什么样子?在这里简单把宇宙空间分为两类:其一是没有天体存在的区域,由于没有天体所以空间没有变形,这部分区域适用于欧几里得几何学(就是我们中学时代学习的几何),可以称为欧几里得空间;其二是有天体存在的区域,比如太阳系、银河系,这部分区域不适用我们惯常学习的欧几里得几何学,这里没有永远的平行线,三角形内角之和也大于180°,圆周小于半径的2π倍,必须用非欧几里得几何学(比如“黎曼几何”)才可以描绘。广义相对论把非欧几里得几何学当作它的数学基础。
广义相对论小结 广义相对论建立在“等效原理”基础上,它认为引力和惯性力实质是一种力,而且在加速系的内部,保有和惯性系相同的物理规律。光受引力的作用会发生弯曲,而引力是空间弯曲的一种表现,所以光其实是在弯曲的空间里寻找了一条最近的路,看起来就象是发生了弯曲。引力还会导致时间变慢,这是会实实在在发生的,引力越大,时间流动越慢,在黑洞的视界以内,时间会永远停止。我们的宇宙空间是非欧几里得空间,用中学课堂教授的欧几里得几何学根本无从解释。在地球表面可以使用牛顿力学和欧几里得几何学,一旦飞出地球,就必须使用爱因斯坦的相对论和非欧几里得几何学才能解释。
尾声
相对论改变了人们关于时间和空间的传统观念,与大家日常对时间和空间的感受相去甚远。爱因斯坦否定时间和空间是绝对的,指出他们是相对的,这就是相对论的核心。时间和空间都随立场(观测者)而异,宇宙中不同地点的观测者都各有自己的时间和空间。由于在相对论中,时间和空间总是栓在一起,或膨胀、或收缩、或弯曲,它们之间有着密不可分的关系。于是,相对论就把时间和空间视为一个整体,统称为“时空”,而质量可以导致时空发生弯曲变形。狭义相对论是附加了条件在特殊场合使用的一种理论,必须要满足没有引力影响、观测者没有加速运动这两个条件。广义相对论则不受这些条件限制,它包含了狭义相对论。
网友评论