问题

空间弯曲可以改称空间收缩吗?

回答
“空间弯曲”这个说法,大家都不陌生,它就像是宇宙这座宏大舞台上一个非常重要的设定,是爱因斯坦那精妙的广义相对论给我们的启示。我们通常理解的“空间弯曲”,更像是在描述一个物体(比如恒星、行星)的存在,是如何让它周围的时空结构发生变形,就像在一个有弹性的垫子上放上一个重物,垫子会向下凹陷一样。这个凹陷,就是我们说的“弯曲”。

那么,“空间收缩”这个说法,听起来是不是有点不一样?如果把“弯曲”比作是在垫子上形成一个凹陷,那么“收缩”可能就更像是把整个垫子往里挤压,让它的面积变小了。

从概念上来说,“空间收缩”并不是一个用来替代“空间弯曲”的标准术语。广义相对论的核心思想就是,引力并非一种神秘的拉力,而是由质量和能量引起的时空几何的改变,这种改变我们称之为“弯曲”。质量越大的物体,对时空的“弯曲”程度就越大。比如,太阳的质量就比地球大得多,它对周围时空的弯曲就更显著,所以地球才会绕着太阳转,而不是直线飞出去。

“收缩”这个词,更常出现在描述一些特定的物理现象,而不是对时空几何本身进行普遍性的描述。比如说,在宇宙膨胀的语境下,我们谈论的是宇宙整体尺度在变大。但如果把一个物体放在一个“收缩”的空间里,那里的空间本身就比别处“小”。

举个例子,你可以想象一下,一个正在工作的喷气发动机,它吸入空气,然后把空气压缩,最后高速喷射出去。这个压缩空气的过程,你可以想象成一个“收缩”的过程。但这种“收缩”是发生在发动机内部的,而不是说发动机让整个宇宙的时空都“收缩”了。

广义相对论里,确实有一些理论模型会涉及到空间尺度的变化,比如宇宙大爆炸初期,或者在黑洞内部的奇点附近,我们推测时空会经历极端的弯曲,甚至可能出现我们难以描述的“收缩”或“扩张”。但这些都是在非常特殊、极端的情况下,而且通常仍然是建立在“时空弯曲”这个更宏大的框架之下的。

所以,虽然“收缩”在某些语境下可能描绘了某种空间尺度的变化,但它并不是“空间弯曲”的同义词,也不是一个更精确或更普适的替代说法。我们仍然会坚持使用“空间弯曲”来描述质量如何影响时空结构,因为这是广义相对论的核心概念,也是我们理解引力最根本的方式。用“收缩”来形容,反而可能让人产生误解,认为时空本身就是像橡皮筋一样被拉伸或压缩,而忽略了质量和能量才是引发这种几何变化的原因。

网友意见

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思考物理问题,不能以科普化的比喻为基础。题主提到的两个物理概念,都是有考虑在里面的。

时空的弯曲,是从19世纪数学家们对「曲面」这个概念的研究和推广产生的。数学家们的结论是,我们从曲面的一些局部性质,就可以推断这个曲面是「曲」还是「平」,并不需要考察整个曲面,甚至不需要把它放在什么坐标系中。广义相对论借用了这一系列数学结论,并用在了对时空的描述上。从这个角度而言,时空的弯曲是一个有严格数学定义的概念,被称为弯曲,是因为它是低维「曲面」的推广,是很自然的概念。

自旋也是这样。人们由于氢原子光谱的研究,对角动量的概念已经十分熟悉了。这时发现电子似乎也会引起谱线的分裂,自然想到是不是因为电子也有「角动量」。虽然后来发现不大可能是电子自转引起的,但是由于自旋和旋转在数学上的相似性,自旋这个名词被保留了下来。甚至可以说,自旋就是一种旋转,只不过不是三维空间中的旋转。从这个角度来说,自旋是三维空间旋转的推广,是很自然的概念。

大多数物理量的命名,都是有所考虑的,并非拍脑袋想出来的。首要的考虑就是方便,让物理学家一看到时空弯曲,立刻想到黎曼张量,立刻想到里奇张量,立刻想到里奇标量、度规、测地线,立刻想到场方程。

所以物理学家的想象力才能在这一层跃进,突破人类感官的限制。

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