怎樣給別人解釋時空彎曲才能更加通俗易懂?
太多似是而非的類比反而容易把思維引入漩渦。彎曲時空這個概念並不難。所以像物理學家一樣正經的理解就行了。
首先,你要記住這個重要的原則:彎曲空間不需要藉助更高維空間來理解。
什麼意思呢?你現在想像一個球面吧。
球面呢就是一個二維的彎曲空間。等等,現在你在腦子裡面想像的一定一個三維球體的表面對不對?
敲腦袋,不準這樣想。彎曲空間不需要藉助更高維空間來理解。 你要把你的想像力限制在二維空間裡面。你現在就是一隻渺小的爬在巨大球面上的螞蟻。球面特別巨大,你又不能飛到球面以外去。所以你看到的二維球面和二維平面好像也沒有什麼區別。
怎麼辦呢?
辦法是有的,球面在一個小局部看起來幾乎和平面一樣,但整體的幾何性質還是很不一樣的。你可以做一隻哥倫布。沿直線走,如果回到起點,那麼你可以宣布,這個二維空間是彎曲的!
但這個辦法很笨,你需要繞整整一圈,球面這麼大萬一路上累死了怎麼辦?所以下面我講一個更巧妙的辦法。
你先在地面上畫一根線段。然後走一步,再畫一根跟它平行的線段。再走一步,再畫一根跟之前的線段平行的線段,以此類推,就這樣一邊畫一邊走。同時你可以隨便選一條閉合的路線繞回原點。這時候比較最後畫出來的那根線段和最初那根線段。(我們假設你是一隻很細緻的螞蟻,畫平行線的精度是完美的。)那,如果我們的二維空間是一個平面的話,最後那根線段一定和最初那根線段也是平行的。這很好理解。
但如果空間不是平面的話,兩跟線段就可能會出現夾角,並且夾角跟你選擇的路線有關係。(比如你從北極出發走到赤道,再沿著赤道走四分之一圓周,再走回北極,保證每一根線段都畫在球面上並且在球面上完美平行。這時候最後和最初的兩會出現九十度的夾角。)
這是一個令人費解的結論。違背了我們關於普通平直空間的幾何直覺:任意相鄰的兩條線在這個空間里都是平行的。但是繞一圈回來後首尾就不平行了。說明這個空間有問題呀!它彎掉了。
我們把上面的東西整理一下:一個矢量繞彎曲空間平行移動一個閉合路徑時,它的方向是有可能改變的。而且改變值跟具體的路徑相關。
其實不光是方向,在某些彎曲空間中,矢量的長度也會改變。我們說
一個矢量繞彎曲空間平行移動一個閉合路徑時,它的方向和長度是有可能改變的。改變值跟具體的路徑相關。
關鍵點來了!
矢量的長度改變是什麼意思?
首先所謂長度由兩部分構成:值和度規
比如一根線段長「2米」。「2」叫做這個長度的值,「米」叫做這個長度的度規。
一根線段長「2米」的意思就是:把「米」作為一個標準的單位長度,那麼這跟線段有兩個標準長度這麼長。
矢量長度改變的意思就是:原來2米的線段,現在變成3米了。
這裡面包含兩種可能:1,線段真的變成三米了。
2,「米」的標準變了,或者說,度規變了。
記住,這裡有問題的主要是空間。這裡長度改變的原因是第二個原因,度規在變。或者說,度規在彎曲空間中的各個點是不一樣的。
現在我們可以理解矢量平移出來夾角的悖論了。
螞蟻同學在一個彎曲空間裡面小心地平移一跟線段。你測到相鄰兩點間的線段總是長度方向都一樣的。它很滿意~
但注意了,由於空間是彎曲的。這裡相鄰兩點的度規並不完全一樣。它們有一個差值,這個差值叫做聯絡。所以雖然你測到兩點的線段是平行的,但是由於兩點的度規已經不同了,所以你畫的兩個線段事實上已經不太一樣了。但由於相鄰兩點的度規差值,也就是聯絡,很小,你並不能立即發現。
但是你一直走啊走啊平移啊平移。度規的差值在你畫的線段上一點一點累加。終於,當你回到原點的時候,你發現你畫的棒子跟最開始的時候已經完全不一樣了。這一整圈累加的差值也有個名字,叫做曲率。
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好了~感謝你自己的耐心吧。所以東西都講完了,現在是收穫的時候~
所謂平直空間就是:度規在空間各個點都一樣的空間。
所謂彎曲空間就是:度規在空間各個點不一樣的空間。
感謝你把想像力限制在二維吧,現在你理解三維彎曲空間也完全沒有問題了。
所謂三維彎曲空間就是:度規在三維空間各個點不一樣的空間。
更近一步
所謂彎曲時空就是:度規在四維時空各個點不一樣的空間。(四維時空也可以定義類似於長度的東西)
更近一步,甚至可以大致知道廣義相對論在說什麼了。
所謂廣義相對論就是說:質量和動量(及其他們的流動)可以造成時空的度規在各個點你不一樣,可以把時空變彎。
作為廣相核心的愛因斯坦場方程:
等號右邊是表示質量動量的項,等號左邊是表示時空曲率的項。完美!
時空變彎之後時空中的地球啊月亮啊會沿著彎曲的時空運動啦。
愚蠢的二維螞蟻看不到二維空間的彎曲,它畫著線,咦?方向變了?
愚蠢的三維人類看不到時空彎曲,咦?有引力?
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掛一漏萬,僅供了解用,不要以為真的懂廣相了哦。
這麼多人說桌布,怎麼沒人想到世界地圖。
在世界地圖上畫個「大圓」,或者隨便看一個國際航班路線,就知道彎曲時空怎樣改變物體運動了。
我是從多看書城《宇宙的琴弦》一書讀者「子凡和一然」的評論中看到這段話的,感覺比日報解釋的更好。很冒犯直接引用了。
下面原文:
1、現代物理學概況:
現代物理學的兩大支柱:一個是相對論,研究大尺度下的宇宙:如恆星、星系、星系團以及比它們更大的宇宙自身的膨脹;另一個量子力學,研究小尺度下的宇宙:分子、原子以及比原子更小的粒子,如電子和夸克;然而相對論和量子力學相互矛盾,原因是相對論的方程和量子力學方程互相代入的話得不到有意義的解,任一種理論不能同時解釋大小兩個尺度。但現實中有這樣的東西存在,例如黑洞,質量很大而體積很小,所以相對論和量子力學都不能完美解釋黑洞。於是弦論出現了,其目的是打造一種終極理論,可以同時解釋大小兩種宇宙;其方法是尋求相對論和量子力學的統一,因為它們在莫單一情況下的正確性是經過了嚴格實驗驗證的。
一句話總結:相對論對大傢伙管用(已驗證)---------量子力學對小傢伙管用(已驗證)---------弦論對大小傢伙都管用(待驗證)
2、相對論的概況:
相對論分為狹義相對論和廣義相對論,狹義相對論研究勻速運動或靜止(勻速運動和靜止是一回事,後面會說)的物體;廣義相對論研究加速運動或受引力影響(加速度和引力是一回事,後面再說)的物體。
3、狹義相對論推導
狹義相對論的兩個基本原理:一個相對性原理,一個是光速不變原理。
相對性原理比較好理解,第一步:設想兩個宇航員在漆黑的太空朝對方做勻速運動(周圍什麼也看不到,只能看到對方),兩個人都在運動,此時宇航員不能判斷自己是運動的還是靜止的,他只能確認對方在向他自己運動,每個人都可以這樣認為,每個人從自己的角度看都是對的。這樣可以推出運動必須是有參照物才有意義,如果沒有參照物的話,就無法判斷自己是在運動還是靜止。第二步:如果兩個宇航員在相對運動的同時,都在做一個簡單的物理實驗,根據第一步的推論,對每個宇航員來講,都會相同的認為自己處於靜止狀態,那麼在同樣靜止狀態下做的同樣的物理實驗結果也應該是相同的。這樣可以推出針對不同的參照物,所有的物理定律都是相同的。
一句話總結:你看我還是我看你,大家都是一樣滴。
光速不變原理不用理解,這只是一個事實而已。歷史上很多的天才科學家做過了很多的天才實驗都驗證了光速不變,經過精確測量,其速度大約是每秒30萬公里。無論你在跑步、在睡覺、甚至在隨著地球自轉,繞著太陽公轉還是圍繞銀河系中心旋轉,你看到的光,都是這個速度,和你本身具有的速度不能疊加和相減。例如你和一束光同時向一個方向運動,儘管你具有一定的運動速度,不管你有多快,哪怕是接近光速,你看到的仍然是那束光以每秒30萬公里的速度離你而去。這與你的直觀不一致,但是不要試圖去理解光速為什麼不變,因為實驗和觀測證明了它不變,這只是一個原理,接受它以後再以這個原理為基礎上解釋你腦中的矛盾。我的意思是說牛頓經典力學可以很好的解釋現實生活並與你的直覺一致,而光速不變原理為基本原理的相對論也可以很好的解釋現實生活,不過與你的直覺不一致而已。光速不變的意義在於:距離是關於空間的概念——它度量了兩點間有「多少」空間。間隔是關於時間的概念——它度量了兩個事物之間經歷了多長時間。速度是單位時間間隔(如1秒)內通過的距離。速度=距離/時間,既然速度不變,那麼發生變化的只能是距離和時間。
一句話總結:光速是不變滴,變化滴是時間和空間。
現在開始推導狹義相對論帶來的各種結論:
時間膨脹:假設用小明(小明是一束光)來計時,我站在岸邊看小明游泳,小明以光速游過一條寬1公里的小河再游回來,河水是靜止的,他游的很快而且不停的游,那麼遊了30萬次後時間過了1秒鐘。假設此時河水開始快速流動了,那麼小明游過河流的距離就不止1公里了,因為水流把他朝下游沖了一段距離,他是斜著游過小河的,所以距離變長了。那麼,斜線的距離=小明的速度 乘以 時間。注意,根據光速不變的原理,小明的速度(光速)是不變的,因此為了保證等式成立,游泳的距離變長了,時間就必須變長。所以說時間膨脹了!因為小明是用來計時的,小明所代表的每一秒變長了,那麼在我看來就是小明的時間變慢了。注意,我們接著往下推,根據相對性原理可以推出個結論,一個是因為我和小明是互為參考系的,所以在小明看來,我的時間也變慢了;另一個是因為因為物理定律在不同的勻速參考系是一樣的,所以換成用別的東西計時例如手錶等,結論也是一樣的。
一句話總結:速度越快,在我看來,時間就越慢。
空間收縮:現在我們知道了運動會使時間會變慢,記住這個結論,然後我們再往下推。這一次小明(小明是一個人)開著一輛超級跑車在我面前跑過,我們同時計時,從起點到終點小明的表計時是1分鐘,而在我看來,運動使時間變慢,因此我的表計時不到一鍾,同樣是這個公式:距離=速度X時間,我計時的時間變短了,所以車子運動的距離也變短了。不是車子少跑了一段距離,而是整個空間變短了,甚至車子也變短了。
一句話總結:速度越快,在我看來,長度就越短。
時空一體:看了上面的時間膨脹和空間收縮,我感到相當的痛苦,但換一個角度想,就不那麼痛苦了。這個角度就是時空一體的角度。在小明游泳的那一段,我們知道小明游得是一條斜線,就是說小明的速度是有方向的,是斜的。根據二維直角坐標系,斜方向運動可以分解為垂直和平行方向上的運動,就是小明游過小河的運動和流水的運動。現在我們把這個二維直角坐標系的縱軸想成空間,把橫坐標想成時間,把斜線想成物體運動,注意我們對物體運動進行分解,發現當空間坐標越大時,對應的時間坐標就越小,這表明物體的速度越大時間的流逝就越慢,反過來物體的速度越小則時間的流逝越快,它們的和值是光速。當運動全部發生在空間里時,那就是光,對於光來說時間是停止的;當運動全部發生在時間裡時,那運動是靜止的,而時間飛逝,我們現實世界就大概是這種情況。時間和空間可以相互轉化,因此時空是一體的,物體運動改變著時空。
那麼什麼是四維時空?愛因斯坦把長、寬、高和時間稱謂思維時空,很好理解,上面時空一體里講到縱軸是空間,我們現實中的空間通過長、寬、高三個維度來確定,替換後時空一體就是四維時空一體了。在四維時空里也可以進行上述一樣的分解和合成。這個和《三體》里的四維空間不是一個概念,嚴格講,《三體》里藍色空間號進入的應該是四維空間加一維時間的五維時空。
一句話總結:宇宙中所有物體都在以光速運動,但可以分解為空間和時間的變化。
質能方程:愛因斯坦著名的質能方程,E=mc2,書中沒有講來歷,但講了一個推論,就是物體運動越快,它的能量越大;而根據愛因斯坦的公式我們看到,物體能量越多,它的質量越大。而物體質量越大時,把它加速就越困難。在速度逼近光速的過程中,質量的增加是沒有極限的,因此需要無限的能量才可能使它達到或超過光速壁壘。這當然是不可能的,所以絕對不會有什麼東西能比光還跑得快。
一句話總結:宇宙中沒有什麼物體的速度能夠超過光速。
4、廣義相對論的推導
廣義相對論要解決的核心問題:萬有引力
廣義相對論的一個核心原理:等效原理
萬有引力:就是牛頓被蘋果砸頭而發現的那個萬有引力,簡稱引力,這個不用再做說明。凡是有質量的物體都會產生引力,質量越大,引力越強;質量越小,引力越弱;同時引力還與距離有關係,兩者距離越近,引力越強,距離越遠,引力越弱。宇宙中所有的星球和物質都遵守牛頓引力定律,但牛頓沒有說明引力為什麼會有這種性質。愛因斯坦研究引力,是因為引力與狹義相對論矛盾。矛盾在於:牛頓的引力方程中沒有時間變數,就是說如果太陽突然消失了,那麼它對地球的引力也就瞬間消失了。地球上的人們可以馬上感到引力的變化,卻需要8分鐘後才能看到太陽的消失。這種超距作用不符合狹義相對論,因為引力竟然能超過光速。
一句話總結:牛頓的引力方程是狹義相對論的原理所不能容忍滴。
等效原理:等效原理很好理解,還是讓小明來體驗(小明是一個人)。假設小明在一個密閉的飛機里,無法判斷外界的情況,只能通過自己的感覺判斷飛機是否在運動。如果飛機在做勻速運動或者靜止,小明感覺不到任何東西;如果飛機在做加速運動,小明能夠感覺到一股推力將他推向椅背;如果飛機是在克服引力飛離地球,小明同樣能感覺到一股推力將他推向椅背;對於小明來講,飛機加速運動的感覺和飛機克服地球引力的感覺是一樣的,沒有區別。於是,加速運動和引力是等效的。等效原理被愛因斯坦成為「最快樂的思想」,原因是引力太神秘了,令人難以捉摸,但加速運動確實具體和實際的,很好理解和計算。於是愛因斯坦把所有需要考慮引力的地方統統替換為考慮加速度,然後再把通過考慮加速度而得出的結論推廣為引力的結論,這是一種簡化問題的思考方法。
一句話總結:引力的問題----替換為-----加速度的問題,研究加速度得出的結論-----替換回------引力的結論
現在開始推導廣義相對論帶來的各種結論:
旋轉木馬實驗:注意,這個實驗會直接用到上述的原則和推論,小明又上場了(小明是一個人)。假設小明坐旋轉木馬,旋轉木馬是一種加速運動,加速度改變的是運動的方向,不管怎麼說,加速度就是加速度,適用於上面的等效原理,可以將在旋轉木馬上的出的結論推廣為引力的結論。同時,用旋轉木馬來做實驗,比較像行星繞恆星的做圓周運動的引力場,因為都是在做圓周運動嗎。旋轉木馬轉的飛快,小明坐在木馬上,根據前面的結論,「速度越快,在我看來,它的長度就越短」,因此,小明在做圓周運動的路程變短了,就是說旋轉木馬的周長變小了。同樣,根據前面的結論,「速度越快,在我看來,它的時間就越慢」,因此,小明在做圓周運動的時候,他所處的位置的時間變慢了。下面推論空間彎曲和時間彎曲,請各位觀眾不要走開。
空間彎曲:小明在旋轉木馬最外圈時,他的速度最大,同時加速度也最大,圓周長也就縮小的最厲害;當他移到內圈時,速度變小,同時加速度也變小,圓周長也就縮小的小一點。用我們現實生活中見過的物體來描述這幅畫面,那就是一個球面。 在最上面的頂點的位置,越接近於平面的圓,向下越到球的中部,就彎曲的越厲害,看得見的球面是這個樣子的,那麼看不見的空間也是這個樣子的,等於說空間由一個平面的圓彎曲成了球。是加速度導致物體做圓周運動,且加速度的大小直接對應了周長縮短的大小,因此可以說加速度導致了空間彎曲,通過等效原理,可以說引力導致了空間彎曲。
一句話總結:引力導致空間彎曲。
時間彎曲:前面旋轉木馬實驗里說過,加速度導致了在旋轉木馬上時間變慢,同時因為加速度不同,對應了外圈和內圈等不同位置時間變慢的程度不同,這和前面講的空間彎曲是一個推導過程。我們把在一定空間內的在不同位置上的時間流逝速度不同的現象,稱為時間彎曲。是加速度導致了不同位置的時間流逝不同,因此可以說加速度導致了時間彎曲,通過等效原理,可以說引力導致了時間彎曲。
一句話總結:引力導致時間彎曲。
黑洞性質:理解了前面的內容,就很容易理解黑洞的性質。黑洞是大質量天體被自身引力吸引坍塌成的,根據有關計算,達到某個標準的星體可以變為黑洞,達不到的就變不成。因為黑洞的質量極大,所以引力也極大,所以相對論效應就極明顯。這裡有兩個經常碰到的問題,一個是物體如果進入黑洞視界,就會被潮汐力撕碎,假設一個人進入了黑洞,腳在內圈,頭在外圈,因為不同位置的引力相差巨大,所以可以把人撕碎,這個很好理解;另一個是《星際穿越》中飛船在黑洞附近轉了一會,出來時外面已經過了好幾年,因為黑洞引力極大,所以黑洞附近時間就變得極慢。如果一個比太陽中1000倍的黑洞,你在黑洞視界外3厘米轉一年,那麼回地球時,地球已經過去了1萬年。
一句話總結:黑洞可以讓你前往到未來,但是不能穿越回過去。
寫到這裡實在太累了,暫時不寫了。但有幾點還想說一下:一是以上關於相對論理解是我看《宇宙的琴弦》得來的,沒有和其他相對論的書籍對照,純屬個人讀書筆記,對錯我也不知道;二是這篇書評我本來想把量子力學和弦論的理解也寫進來的,但時間太晚了,也擔心篇幅太長自己都糊塗,所以只寫相對論部分,該部分其實只佔全書內容的十分之一的樣子吧;三是在相對論內容里還有很多我沒寫的,例如引力導致光線彎曲、黑洞內部的性質、宇宙大爆炸理論等,這些也都很有意思,大家可以自己看啊;四是下一本要讀的書是《物理學的困惑》,大致內容是質疑弦論的,所以我想看完後再將量子力學和弦論的讀書筆記寫到該書的書評里;五是《宇宙的琴弦》這本書寫的相當平易近人,我閱讀時沒有參看任何資料,憑高中及其以下的知識記憶去嘗試理解,所以大家都可以來看一看;六是最後一定要說一句話:科學是最大的神奇,所以不管你理不理解還是理解的正不正確,看看科普書吧,起碼知道這世界本身就很精彩。
【趣味教學】時空扭曲可視化模擬實驗 @柚子木字幕組
補充一個例子,以說明空間的彎曲應該靠內在的度規來理解,而不應該其在更高維空間中的嵌入來理解。
拿一張紙,彎成一個紙筒。在三維空間中來看,紙被彎曲了。但如果你是生活在紙面上的二維生物,那麼你並不能察覺到紙的彎曲。在紙筒上,歐氏幾何的一切定理都依然成立:三角形內角和等於180,過直線外一點有且僅有一條直線,等等。紙筒上的測地線,即連接兩點最短的曲線,恰為將紙展開之後的直線。彎成紙筒的紙並沒有發生內蘊的彎曲。假設紙張無限薄,則將紙彎成紙筒的過程中,紙上的點的相對距離(沿紙面上測地線測得的距離而不是在三維空間中的直線距離)並沒有發生任何改變。這也正是將紙彎成紙筒幾乎沒有任何阻力的原因。
反之,正如許多人說過的那樣,球面是有正曲率的空間。在球面上歐氏幾何的許多定理不再成立。你無法將一張紙彎成一個球面,因為這要求改變紙張上各點之間的距離。除非紙有彈性,否則這是做不到的。
不要相信有通俗易懂這一說,有些知識本來就需要大量的其它知識來做基礎,很難越過基礎讓別人明白的。
如果想說出來,那麼可以忽略一些公式、原理什麼的。你不管用了多少例子,費了多少心思,結果僅僅是把你要說明的這個問題的最終現象展示出來。如果對方問「為什麼?」你還是要涉及到一些基礎知識,會越來越難講。
你只能把問題說得通俗,想要懂乃至易懂,那還是需要大量基礎知識的。
粗略地說,彎曲時空有這樣的性質:兩人在空間中以平行的初速度自由移動,但距離卻越來越近(遠)。
像一個球壓在一塊布上凹陷進去這樣的模型,可能讓很多人瞬間明白了什麼,但其實空間當然不是這麼凹下去的,時間的彎曲更看不到,高維度的彎曲實在很難在紙上畫出來,只能靠數學了。
但有一個可以不涉及高深數學公式的思維實驗:愛因斯坦的圓盤實驗。
你的洗衣機(說好的圓盤呢!)里的滾筒(軸心垂直向下)在做非常非常非常(此處省略250字)高速的轉動。一隻螞蟻從軸心開始向滾筒的內壁爬,我們假設它是一隻變種的能抓緊滾筒的超級螞蟻,那麼它會經歷一個線速度不斷增大的過程,根據狹義相對論我們知道,速度的增大會引起時間膨脹,同時空間在收縮。建立坐標系,把離開軸心不同的距離作為x,其對應的時間膨脹量和空間收縮量作為y,可以分別繪製出兩條曲線。
此處的高速轉動的滾筒,就是一個徑向上變化的引力場,而時間在這個滾筒的徑向上並不均勻的流逝,空間在這個滾筒的徑向上也不均勻的分布了。時間和空間都在引力的作用下彎曲了。
Reference
《時間的形狀——相對論史話》 汪潔 著
最簡單的辦法,把你的胳膊當成一個平面。
用手按一下,看~是不是有個坑~凹進去了~
這就是彎曲,引力作用在空間上,把空間壓的凹了下去,當引力消失(指壓消失)空間就回復如初
時間方面就不太好解釋了,畢竟生活中幾乎沒有能讓時間變換能讓人感知到的例子
三角形三內角和不等於180度
讓他去看電影,愛因斯坦和愛丁頓 那裡面愛丁頓用桌布和蘋果演示的例子就很好。。。或者,你自己學著演示一下。
不管怎麼解釋,你都會深刻的感受到,在理科面前,自然語言的無力。
只有弄清楚為什麼要解釋,才能知道怎麼樣解釋。如果僅僅是為了聽個熱鬧,你就讀一篇小說給他聽;如果是為了學物理,你就發一本教材給他看。
至於小球放在床單上的這種普遍解釋,還是不要再出來曬了吧。充滿歧義和不合適,這種成見簡直可以作為我學相對論的最大阻礙沒有之一。不喜歡上面一切答案。
觀測發現:光在經過大質量行星時,發生了偏轉。(這是一個事實陳述)
由於光沒有質量,引力定律無法簡單解釋。
於是愛因斯坦在相對論解釋是: 大質量使得時空發生了彎曲。 而光在彎曲的時空中,發生了偏轉。
這是一種直觀的解釋:在一塊有彈力的、綳平的布上有一條直線,光在這個直線上運動,恆星像一個大石頭壓在布上,使得布產生了下陷,於是原本直線的光發生了彎曲。
彎曲的光路表示時空被彎曲了,這是可以觀測的現象。
以上。
當然,歷史上過程是:
邁克爾遜、莫雷實驗發現光在所有方向速度都是一樣的,考慮到地球是不斷變速變方向運動的。
得到一個事實:光速 不受光源和觀測者運動狀態改變。
愛因斯坦根據這個事實,推理出質量導致時空彎曲的學說,根據這個學說,光在經過太陽時能發生可觀測到的偏轉。
然後科學家們真的觀測到了這個偏轉,證實了愛因斯坦的理論。
本質是: 光速不變---》 原本以為時空不變是錯的。物質不能脫離空間本身,物質就是空間的一部分,所以物質可以影響空間。三維就可以看見二維世界的空間本身—— 平面。觀察它就可以發現物質影響空間的彎曲。升高一個維度,道理是一樣的。
說空間是彎曲的,一般人接受不了,那是因為,我們在心底默認空間是平直的
那麼,其實我們心底的這種千百年來形成的直覺的默認,事實上,也是值得思考的:我們憑什麼說空間是平直的呢?
很簡單:我把事實上,是把不受力情況下,自由物理作勻速直線運動這個現象,當成空間平直的定義了。
很好,那麼接下來,我們可以把這個論斷進行推廣:有天體存在情況下,在其附近作自由降運動(除了引力外不受其它力的運動)的物體,形成的軌跡,我們就用之來界定此物體周圍 空間的彎曲情況。
所以,說到底,空間是否彎曲,這是一個定義問題(如何為空間選 度規的問題):我們以某引力場中物體自由降的軌跡作為標準。這軌跡,就是彎曲空間的測地線。
說一個通俗易懂的例子,假設有人帶了一個尺子從一條公路上通過,你發現那個人帶的尺子不斷的變短,那個人也不斷的變小,他走過那條公路花了比你走另外一條不存在時空彎曲的平行公路,花了更多的時間。你和他對錶時,發現他的手錶也變慢了。
時空彎曲我覺得就是為了保持「光(及基本物質屬性,例如引力)都走最短路徑」。如果不說彎曲的話,可以直接改為:光走直線。但這個直線和傳統意義歐式幾何的直線定義有差別的。
於是,這個「直線」就「彎」了。
如果大家拋開「光走直線」、「引力方向是兩個質點間的直線連線」這樣的固有思維模式,就不需要解釋時空彎曲了。時空彎曲是為了迎合這種「直線最短」的傳統理論硬造出來的。
簡單點:時空沒彎曲,只是光不走傳統意義的直線了,光走了最短路徑。
如果對方是個女孩子,你就kiss一下,然後很正經地說,那個瞬間她的臉部凹陷了,但是依然是那張秀麗的臉。因為受到了外來物質的壓力。
不保證結局。
看過北師大趙崢教授的《從愛因斯坦到霍金》,其中講到時空彎曲時,用了一個形象的例子介紹。
一張布,拉住四個角,是一個平面。讓一顆小玻璃珠從一角滾到另一角,玻璃珠可以沿著直線滾過去。
這時,在布中間放置一個鐵球,布就會中間下凹。此時,同樣從一端滾玻璃珠,則玻璃珠經過中間時路線會彎曲。
如果鐵球質量越重,布的下凹就會越嚴重,相當於空間愈加彎曲了。玻璃球滾過中間附近時,可能會被拉進去,圍著鐵球繞著圓圈。
不知道這個比喻題主是否覺得形象點
我是來給sym physicheng配張圖的。
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