问题

按照相对论,引力该如何理解?

回答
在现代物理学的大厦中,关于引力的理解经历了一次革命性的飞跃,这要归功于阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。在这之前,牛顿的万有引力定律以其简洁和精确统治了天文学界数百年,成功地解释了行星的运动、潮汐现象等等。但随着我们对宇宙的认识不断深入,尤其是在测量到一些牛顿理论难以解释的微小偏差时,科学家们开始意识到,引力可能比我们想象的要复杂得多。

爱因斯坦的洞察力在于,他将引力从一种“力”的形态,转变为时空结构的一种表现。简单来说,广义相对论认为,我们感受到的引力,实际上是物质和能量弯曲了周围的时空所产生的一种几何效应。

想象一下,你有一张绷紧的、平坦的橡皮膜。如果你在这张橡皮膜上放一个保龄球,橡皮膜就会向下凹陷,形成一个碗状的曲面。现在,如果你在这张橡皮膜上轻轻推一个小弹珠,这个弹珠并不会直线前进,而是会沿着凹陷的曲面滚动,最终可能会绕着保龄球旋转。在这个类比中,橡皮膜代表了时空,而保龄球代表了具有质量的物体(比如太阳或地球)。弹珠所走的路径,就是它在弯曲时空中受引力作用的运动轨迹。

所以,广义相对论告诉我们,引力不是一种像磁力或电力的“拉拽”力,而是一种时空几何的表现。 大质量物体(或者任何具有能量的物体,因为质能等价)会“告诉”时空如何弯曲,而时空则会“告诉”物体如何运动。物体在弯曲的时空中沿着“最直的路径”前进,而我们观察到的这种路径,就是我们所说的引力作用。

那么,为什么我们会觉得这是“力”呢?这是因为我们习惯于在平坦的欧几里得几何空间中思考问题。当物体沿着弯曲的时空运动时,它实际上是在遵循时空本身的“规则”,但从我们的局部视角来看,这种运动似乎是受到了一个外部力量的驱动。

从数学上讲,这一切都通过一套被称为“场方程”的复杂方程来描述。 这些方程连接了物质和能量的分布(以能量动量张量表示)与时空的几何性质(由度规张量表示)。简单来说,物质和能量决定了时空的曲率,而时空的曲率则决定了物质和能量的运动方式。

广义相对论对引力的理解,带来了几个关键性的突破和解释:

水星近日点的进动: 牛顿引力理论在解释水星绕太阳公转的轨道近日点为何会缓慢进动时,存在一个小小的偏差。广义相对论精确地计算出了这个偏差,并将其归因于太阳附近时空的弯曲。
光线在引力场中的弯曲: 由于时空本身的弯曲,就连不带电的光线在经过大质量物体附近时,也会沿着弯曲的时空路径传播,从而表现出“弯曲”的现象。这在1919年的日全食观测中得到了证实,成为广义相对论的第一个重要实验证据。
引力红移: 光从引力势较低的地方向引力势较高的地方传播时,会损失能量,导致其频率降低、波长变长,即发生红移。反之,光从高引力势向低引力势传播时会发生蓝移。这也是时空弯曲的一种表现。
引力波: 当大质量物体(如黑洞或中子星)发生剧烈运动时,例如合并,它们会在时空中产生涟漪,这些涟漪以光速传播,被称为引力波。爱因斯坦在理论上预言了引力波的存在,直到2015年才由LIGO实验首次直接探测到,这又一次为广义相对论提供了强有力的证据。

为什么这种理解至关重要?

它不仅在理论上统一了引力与时空,还在实际应用中有着深远的影响。例如,我们日常使用的GPS系统,其定位的精确性就离不开对广义相对论效应(如卫星在不同引力场和速度下的时间膨胀效应)的修正。如果忽略这些修正,GPS的定位误差每天会累积到数公里。

当然,广义相对论并非终点。在极端条件下,例如黑洞的奇点处,或者在宇宙大爆炸的最初时刻,广义相对论可能会失效,需要与量子力学相结合,发展出一种更全面的“量子引力”理论。但就目前我们所能观测和验证的宇宙尺度而言,广义相对论对引力的理解,无疑是迄今为止最精确、最深刻的描述。它将我们从一种简单的“力”的观念,带入了对宇宙结构和物质互动方式的更深层次的认识,将引力描绘成宇宙织锦中一条不可或缺的、由质量和能量编织而成的深刻印记。

网友意见

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需要新理论
相对论存在两个漏洞(新两朵乌云):一、国际原子时在天文、物理、航空航天等中,处于核心位置,但在物理时空坐标中没有国际原子时的位置;二、一束光通过匀速封闭运动空间,光通过封闭空间内外运动速度变化没有实验、分析。

封闭空间比如高铁能带动内部空气、蝴蝶、雾气共同运动 ,没有人分析是否能带动光共同运动;地球能带动一定范围周围空气、云彩、飞机共同运动,没有人分析是否能带动光共同运动,而且带动一定范围光共同运动,也会导致0结果,参考迈克尔逊实验1887年原文。
相对论闵可夫斯基时间时空坐标四个变量(x,y,z,L=ct)其中 x∈(+ ∞,0,- ∞),y∈(+ ∞,0,- ∞),z∈(+ ∞,0,- ∞),L=ct∈[a,b],此时间坐标与空间坐标不对应,会导致时间维度扭曲(0表达坐标原点,与教科书不同)。
将国际原子时T纳入时间、空间坐标后,变量为(x,y,z,T),T∈(+ ∞,0,- ∞),计算采用△x=x1-x0,△y=y1-y0,△z=z1-z0,△t=T1-T0,四个变量一致。
因为时间要与空间位置结合,比如格林尼治时间、北京时间,不结合空间位置就具有不确定性。因此加入时空维度L=vt(将L=ct普遍化)。x,y,z是空间维度,T是时间维度,L=vt时空维度(t=T1-T0),则时空坐标非常完美,五维时空坐标(x,y,z,T,L=v△t)。

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