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為何彈床凹陷的解釋不正確,重力真正來源:時空彎曲中的時間彎曲

2024-08-31科學

對於廣義相對論,大家通常采用上圖來展示說明:「時空彎曲告訴物體如何運動」,或者說解釋牛頓重力的來源。但這種說明方式並不能解釋牛頓重力的來源,因為牛頓的重力來自時空彎曲中的時間彎曲部份,而非空間彎曲部份,而上圖所展示的彎曲只包含了空間的彎曲,並沒有包含時間的彎曲。。

下面從4個角度對此進行詳細說明,然後采用數學計算嚴格證明。

第一

在地球周圍,時空彎曲是由地球對空間長度和時間流逝快慢的改變所帶來的彎曲。上圖所展示的彎曲,即下圖左邊的畫面只展示了地球對空間長度改變所帶來的彎曲,也就是空間的彎曲,它並沒有包含地球對時間流逝快慢的改變所帶來的彎曲。而下圖右邊的畫面則展示了地球對時間流逝快慢的改變所帶來的彎曲,也就是時間的彎曲,它是由一維的海拔高度和一維的時間所組成的二維時空面的彎曲。

當然,有人會反駁說,時空彎曲是時空這個整體的彎曲,無法分解成空間的彎曲和時間的彎曲。的確,時空是一個整體,但這個整體具有各種二維剖面,而上圖左右兩個畫面只是這個整體的兩個不同二維剖面。

上面左邊的剖面就是其中一個二維空間面。這個二維空間面被地球彎曲之後的畫面就是大家常常看到的那種演示畫面。所以,這種演示只是展示了時空的一個二維剖面的彎曲,而且這個二維剖面並沒有包含地球對時間流逝快慢的改變所帶來的彎曲。這個二維剖面圖的專業名字叫:等距嵌入圖。

上圖右邊的這個剖面則是由一維海拔高度和一維時間組成的二維時空面,這個剖面就包含了地球對時間的改變所帶來的彎曲。不過,這個剖面圖忽略了地球對空間長度的改變所帶來的彎曲。後面將會用具體公式說明,在地球附近,這個忽略不會影響牛頓重力來自時間彎曲的結論。

由於自由下落的蘋果只是在海拔高度上改變位置。所以,對於自由下落的蘋果,只需要考慮上圖右邊這個二維時空剖面圖就足夠了。也就是說,蘋果的自由下落來自於這個二維時空剖面的彎曲。

當然,對於衛星圍繞地球旋轉的運動,這兩個剖面圖都會涉及到,而傳統的演示畫面只是采用了左邊這個二維剖面圖,並沒有考慮地球對時間的改變所帶來的彎曲,也就是沒有考慮時間的彎曲。

第二

地球只能讓時空產生極其微弱的彎曲。對於空間的彎曲,空間彎曲的一種表現方式就是:如果平行移動一個空間方向,那麽空間彎曲就將會導致這個方向產生偏轉,如下圖所示。這個偏轉角度越小,那麽,空間的彎曲就越弱。

我們實際測量到(Gravity Probe B專案)的彎曲效應是:將一個空間方向圍繞地球平行移動5500圈之後,這個方向只偏轉了六點六角秒的角度,如下圖左邊所示。

這樣微弱的偏轉角度根本無法讓衛星圍繞地球旋轉,因為圍繞地球旋轉一圈,衛星的運動方向需要偏轉360度。所以,衛星圍繞地球旋轉所需要的重力根本無法來自空間的彎曲,即無法來自大家常常看到的那種演示畫面中的彎曲。

第三

從另外一個角度,我們也能說明純空間的彎曲為什麽無法提供出牛頓的重力。比如說,蘋果在第一秒鐘大約只下落了5米,如下圖所示。如此微小的下落距離只能積累到極其微小的彎曲量,而如此微小的彎曲量根本無法提供出讓蘋果下落的牛頓重力。

在時間維度上,盡管蘋果在第一秒鐘也只能積累到微小的彎曲量,但在時間和空間組成時空的過程中,時間軸需要乘以光速c,也就是將時間軸放大30萬倍,這等價於蘋果在時間維度上累積到了30萬公裏的彎曲量,而這個彎曲量就足以提供出讓蘋果下落的牛頓重力。所以,牛頓的重力來自時間的彎曲,而非來自空間的彎曲。後面會采用數學計算嚴格計算出這一結果。

第四

下面這張空間彎曲圖並不是像直觀看到的那樣,是朝下面的空間方向發生了彎曲,而是朝肉眼不可感知的方向發生了彎曲。所以,圖中的斜坡與日常生活中的斜坡沒有任何相似之處。如果采用蘋果沿斜坡捲動的方式去解釋牛頓重力的來源,那麽這就是一種妄圖生義的理解。

當然,有人會反駁說,這種演示畫面只是一種類比,我們不必太過較真。但是,很明顯,這種演示只是采用了時空的二維空間剖面的那張彎曲圖,也就是只采用了前面談到的那個二維彎曲空間的等距嵌入圖。那麽,它是如何被類比成需要包含有時間因素的時空彎曲呢?很難看出參與類比的兩者之間的相似之處,有知道的網友歡迎評論區留言。

總之,牛頓的重力並不是來自空間的彎曲,重力的真正來源是時間的彎曲,也就是地球對時間流逝快慢的改變所帶來的彎曲。更多詳細說明參看【時空是怎樣彎曲的:圖解廣義相對論】這本書。

當然,這並不是說空間彎曲不會產生任何效應,比如在水星進動中,空間彎曲貢獻了三分之二,另外三分之一由時間彎曲貢獻。而在光線彎曲中,空間彎曲的貢獻高達一半,剩下一半才來自時間的彎曲。

嚴格的數學計算:

當然,即使有了上面4條理由,還是有很多人無法接受大家過去熟悉的解釋畫面是不正確的。大家還想看看能不能采用微分幾何進行嚴格證明以上這些結論,所以,接下來會出現一些數學公式,希望大家不要被嚇到。

廣義相對論的名言就是:「彎曲時空告訴物體如何運動」,這句話轉譯成為數學語言就是:自由物體在彎曲時空中總是沿測地線運動。所以,想要知道重力的來源,只需要分析一下測地線方程式就可以了,如下圖所示。

  1. 我們可以看到,測地線方程式右邊第一項就包含著牛頓的重力,而這一項來自於二維時空剖面中的時間彎曲。所謂的時間彎曲就是指地球對時間快慢的改變所導致的彎曲,它是由度規的gTT分量來反映的。

  2. 另外可以看到,方程式右邊第一項乘以了光速的平方。也就是說,時間的彎曲效應被放大了光速的平方倍,從而以無比明顯的方式表現出來。而測地線方程式右邊的第二項和第三項並沒有被放大光速的平方倍,所以它們提供的彎曲效應在低速情況下是極其微小的。

  3. 我們還可以看到,在右邊第一項,地球對空間長度的改變所導致的彎曲可以忽略不計,因為在地球附近,產生空間彎曲的gRR度規分量幾乎等於1,所以它對牛頓重力帶來的修正可以忽略不計。

  4. 這個方程式右邊第二項則完全來自空間的彎曲,但是,由於地球的質素很小,所以在地球附近,這一項的貢獻非常微小。而且,當蘋果靜止時,即速度為零,這一項等於零,當蘋果下落後,此項的貢獻是一個排斥力,而非吸重力。所以,導致蘋果下落的重力不可能來自此項。

  5. 這個方程式右邊第三項代表衛星旋轉所產生的離心力,但它不是由空間的彎曲所產生的。不過,空間的彎曲會對它產生微小的修正。

所以,從測地線方程式可以看到,不管是蘋果的落地,還是衛星的運動,主要的貢獻來自於時間的彎曲,空間彎曲的貢獻非常微小。當然,如果物體的運動速度很快,方程式右邊的第二項和第三項的貢獻就開始變得很大,比如對於光子的運動,空間彎曲的貢獻就高達一半。

希望以上這些解釋能夠消除大家的疑問,如果還有疑問,歡迎大家留言,也歡迎閱讀【時空是怎樣彎曲的:圖解廣義相對論】中的詳細說明,如果想要了解更詳細的計算過程,歡迎閱讀【破解重力:廣義相對論的誕生之路】這本書。如果想要簽名版本,歡迎後台私信。