空間彎曲可以改稱空間收縮嗎?
上一個關於空間彎曲的提問沒人回答,可能是我的表述太啰嗦了,那我就換一個角度來提問吧。
看了很多關於空間彎曲的解釋,其中被提到最多的類比是一個蹦床上放一個鐵球,可是這種情況下鐵球周圍蹦床上的點在Z軸的座標確實不是零了,那麼大質量天體周圍的點在第四個空間維度上的座標也已經不是零了嗎?為什麼一定要叫空間彎曲而不僅僅是空間收縮呢?
類似的困惑還出現在對微觀粒子的自旋這一概念的理解上,所謂的自旋根本就不是自旋,為什麼不取一個更嚴謹的名字呢?
思考物理問題,不能以科普化的比喻為基礎。題主提到的兩個物理概念,都是有考慮在裡面的。
時空的彎曲,是從19世紀數學家們對「曲面」這個概念的研究和推廣產生的。數學家們的結論是,我們從曲面的一些局部性質,就可以推斷這個曲面是「曲」還是「平」,並不需要考察整個曲面,甚至不需要把它放在什麼坐標系中。廣義相對論借用了這一系列數學結論,並用在了對時空的描述上。從這個角度而言,時空的彎曲是一個有嚴格數學定義的概念,被稱為彎曲,是因為它是低維「曲面」的推廣,是很自然的概念。
自旋也是這樣。人們由於氫原子光譜的研究,對角動量的概念已經十分熟悉了。這時發現電子似乎也會引起譜線的分裂,自然想到是不是因為電子也有「角動量」。雖然後來發現不大可能是電子自轉引起的,但是由於自旋和旋轉在數學上的相似性,自旋這個名詞被保留了下來。甚至可以說,自旋就是一種旋轉,只不過不是三維空間中的旋轉。從這個角度來說,自旋是三維空間旋轉的推廣,是很自然的概念。
大多數物理量的命名,都是有所考慮的,並非拍腦袋想出來的。首要的考慮就是方便,讓物理學家一看到時空彎曲,立刻想到黎曼張量,立刻想到里奇張量,立刻想到里奇標量、度規、測地線,立刻想到場方程。
所以物理學家的想像力才能在這一層躍進,突破人類感官的限制。
其實就是空間壓縮,我覺得題主說的不錯
空間在靠近大質量物體時的扭曲的確就是越近則空間密度越大
所以引力就是空間密度大的一種體現
之所以光在大質量物體附近走曲線,其實是走的高緯度宇宙框架的直線
左圖是在高緯度觀看空間在引力中壓縮的樣子,紅線是光線的路線A 藍色是路線B
右圖是人類再低緯度看(三次元低緯度中空間是等寬矩陣的)
那麼光要走最短時間路徑(左圖)肯定是走藍線而不是紅線,所以在我們的眼中(右圖)光很奇怪的走了曲線,似乎繞遠了。
類似的可以推論光是一種高緯度的元素,包括光速不變,光子沒有靜態質量,波粒二象性等等的特質似乎可以說明它不遵守低緯度的規則。
但是,光在我們的觀測中也不是一直能任性的。
儘管光永遠走最短時間路徑但它無法穿過黑洞,這似乎也說明黑洞也是一種高緯度的因素。
它和光要到達的宇宙邊緣及其可能是同樣的空間勢能,所以進入黑洞以後相當於到達了目的地。
自然就不能繼續行進了。
又可推論得出,我們所在的宇宙並非是一個膨脹的氣球。
因為高濃度高質量的黑洞竟然是邊緣。
也就是說宇宙外的空間也是高濃度高質量的區域。
我們的宇宙並非是一個氣球,而是在濃稠的瀝青中小小爆炸造成的氣泡。
在宇宙框架中填滿了密度極高的質量,時刻準備著等待爆炸的能量消失以後重新填滿這個宇宙氣泡。
質量帶來的空間扭曲壓縮恰恰說明了宇宙正在以一種人類看來極慢的速度在崩塌。
星系這些水霧正在重新凝結成水滴。
一旦空間的密度上升,萬有引力就會逐漸變得極其的大,遠超過人類能承受的極限。
不過似乎不用擔心,因為人類在引力超過承受極限之前就先被膨脹的太陽燒死了。
咦?那算不用擔心嗎?
1,「彎曲」和「收縮」依然是兩個含義不同的兩個詞。
2,關於不準確的「自旋」,很遺憾語言的限制下,並沒有足夠多的辭彙可以拿來就用。
而如果創造一個辭彙,則並無必要。因為放在該語境下,專業人士心知肚明。
就像「車」這個字在古代有著不同的含義。但是不需要為了汽車再去造一個字。而說到「車」,不會再有人去想到手推車。
所以,如果要弄明白必須弄清術語。
定義距離或長度是為了方便。
比如把一個公司每個月的營業額列成一個表,是一個函數,形成了一條曲線,問這條曲線的長度是沒有卵用的。
但如果某個曲線的表達式是是一個圓,我們定義距離就很方便了,問圓的周長也就有了意義,這是因為兩個參量在表達式中有某種對稱性。定義了距離,便是歐氏空間。
我們的宇宙也是這樣,把參數列成一個表,觀察函數的對稱性,我們發現上下,左右,前後這三個參數在方程中對稱,於是我們把宇宙描述在三維歐氏空間中。
後來發現時間這個參數也可以加入進來,就把宇宙描述在四維閔氏空間。
而這一切都是為了方便,你當然可以換套坐標系,另行定義一個距離,硬說宇宙在一個別的什麼空間,也不是不行,只不過方程很複雜就是了。
但在之後,發現這四個參數在大尺度也只是近似對稱,所以用局部的閔氏空間來表述方程。
為什麼不再加幾個參數,認為宇宙是一個更高維平直空間的一個超曲面呢?很簡單,因為這樣做並沒有很方便。
廣義相對論我也是很粗糙的看了一下,理解的未必對,請見諒。不是,空間彎曲和放一個球在薄膜上不一樣;後者只是一個形象化的比喻而已。空間彎曲的性質由數學上的度規描述,比放一個球的比喻複雜多了。
自旋概念最初提出是為了給電子加上一個內稟的、二值的量子性質,而單個粒子的性質最容易想到的就是旋轉。當然後來知道(正如泡利指出的那樣)把經典意義上的自旋用在這裡不太嚴謹,不過經典自旋恰好對應著兩個狀態(向上和向下),比較方便形象化的表述,就這麼沿用下去了。在研究一個空間(或時空)時,比起將它放到一個更高維的空間,我們更喜歡直接在這個空間(或時空)中去研究它的性質。這個時候我們所能觀察到的是曲率,而不是「更高維空間中多出來的維度的的坐標值的變化」。
因此當一個空間(或時空)的曲率告訴我們它不是「平直的」,我們就認為它是「彎曲的」。
彎曲是數學的,收縮是物理的。
彎曲隱含著在更高緯度上的觀測和思考(定義在更高緯度上平直,允許局部有彎曲),收縮只隱含著在同一維度上的觀測和思考。
假設你是球面上的一隻螞蟻,把你放在球面以外觀測球面,你會用彎曲來思考球面(你能看到更高緯度上的平整,比如放球面的桌子上),把你放到球面上,並且去掉高維的視角時,你會更傾向於所在的平面有收縮,而不會考慮彎曲的情形。
彎曲對應的是平直
收縮對應的是均勻
維度不太一樣
推薦閱讀:
※有立方型或者其他非球形的星體嗎?
※假設我能看到一個距離我一光年距離的人,那麼我看到的是他一年前的情況么?
※如果物質落入黑洞需要無限長的時間,那麼我們能否觀測到黑洞視界的增長?
※是不是我們可能永遠無法知道在黑洞內部發生了什麼?
※同時看到太陽和月亮為什麼月亮還不是圓的?