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标题: 空间中并不存在引力这种“力”？广义相对论又是怎样定义引力的 [打印本页]

作者: 马赛克的忧伤 时间: 2023-6-3 11:24
标题: 空间中并不存在引力这种“力”？广义相对论又是怎样定义引力的
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我们通常认为，地球的引力是可以用秤来称重的，好比你踩上一个秤，体现出来的体重，就代表地球对你的引力有多少。
宇宙中也有引力，太阳系中的行星，能规矩地按照轨道行进，就是因为太阳的引力。
别的，拥有强大引力的还有黑洞，这些都是万有引力的理论，很容易理解。

但是爱因斯坦的广义相对论，却对引力有不同的解释，他认为引力根本不是力，而是另一种复杂的宇宙征象。
本期内容就来剖析一下，广义相对论是怎样定义引力的？以及它在宇宙的研究上究竟有多正确？
每个人都听过牛顿发现万有引力的故事，不过故事中的苹果并没有砸在他头上，而是他看到苹果从树上掉下，于是开始思考，为什么苹果会垂直掉到地上，而不是向着其他方向运动。

牛顿推测，是苹果和地面之间的引力，将它们拉向相互。引力的大小，与物体质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。
这种牵引让物体运动的路径最短，同时能最大程度地淘汰能耗。他还认为，苹果掉落是重力让它向地面加速运动。
牛顿最初认为引力只是种推力，而不是拉力，但他以为自己的理论欠缺了些什么。

不过这不妨碍大多数人承认他的万有引力定律，并且毫不动摇地相信了近400年。
广义相对论改变引力理论

直到爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，人们才开始重新审视引力的概念。
当时，人们嘲笑爱因斯坦居然敢挑战牛顿，认为他的观点太过激进，不可信。广义相对论中一个关键点是，引力场中所有的物体，都以同样的速度下落。
幸好，爱因斯坦不是一个人在战斗。这点是伽利略先得出的，他发如今没有大气阻力的情况下，同一高度，不同质量和形态的物体自由落体，会同时落地，这叫等效原理。

1971年阿波罗15号的宇航员，也在月球上做了跟伽利略一样的实验，他同时放开一片羽毛和一把铁锤，质量相差如此之大的两个物体，竟然同时落地。
这个理论体现，引力加速度与物体的组成无关。
根据爱因斯坦的理论，引力不是物体之间的力量，而是有质量的物体发生了空间和时间的扭曲，如果没有力作用在物体上，它们将保持直线运动。
爱因斯坦认为，较小的物体不会被较大的物体拉动，但是物体能被它们上方的空间往下推。

他还认为，任何物体都能扭曲空间结构和时间，这叫“空间时间”，空间中并不存在引力这种力。
时间与空间组成了四维时空结构，这称为“时空一连体”，是一个三维空间与时间维度的结合，物体质量越大，对四周空间的扭曲程度就越高。
爱因斯坦把苹果掉落，行星绕恒星运行等物体，在时空一连体中的曲线运动，称为引力。

看这个抽象的时空网格，它正在为你可视化引力是怎样工作的。正如它演示的那样，地球的质量扭曲了时空，并产生了一个引力井，这个引力井会将地球上的统统物体往下拉。
月球上也有相同的引力井扭曲时空，但是地球和月球之间的引力不够大，无法把月球拉向我们，以是月球不会像苹果那样从高空掉落下来。
太阳也有一个巨大的引力井，能吸住太阳系的星体乖乖地留在内里，不会飞向更远的太空。

人类发射的航天器，在宇宙中不停移动位置，也能带我们相识太阳系中，各星体的引力井是怎样发挥作用的。
航天器发射时要靠很大的推力，来增加初速度，然后利用时空扭曲，或太阳系里的其他星体引力将自己拉进太空，往另一个方向飞。
当它靠近其他星体时，便会受到其他引力的影响，移动速度也随之变快。
这就是宇宙中物体相互吸引导致的，时空是弯曲的，当航天器离目的物体越近，加速度也越快。这体现，航天器进入了它的引力场。

不过请注意，引力场不是引力，而是物体引力辐射出去的范围。
月球的引力场比地球小，因为它的质量比地球轻。从万有引力角度来看，物体质量越大，引力也越强，引力场也相对较大。
太空中的引力场无处不在，它们就漂浮在我们头顶，只是我们感觉不到其他行星，乃至地球轨道上的引力场。
不过，在近地球轨道运行的空间站，能感受到地球的引力场，并且地球轨道上的有效引力与地面的引力差不了多少。

好比你在地球上重100斤，你到了空间站后，重量大约是90斤，并没有淘汰的太离谱。
但是有个题目，既然地球附近的太空中有引力，为什么太空中的宇航员，看起来像在失重的状态下漂浮呢？
其实不然，太空中的所有物体包罗空间站，都会在真空的太空情况中同时坠落。这种人与物体的失重体现被称为微重力，它是由太空残余的大气等因素造成的。

不管物体质量是多少，只要以一样的方式下落，远离引力源的宇航员，和在物体引力场中自由落体的宇航员，都会有相同的体验。
空间站飞在近地轨道，由于地球引力，它时时候刻都在往下坠，需要的时候可以开启动力往高处变轨。
但要是燃料用完了，它就会以28000公里的时速俯冲向地球。

引力透镜征象可证实时空扭曲论

时空扭曲论是爱因斯坦相对论中的内容之一，虽然有争论，但我们也有方法能证明它的正确性。
统统具有质量的物体都能弯曲时空，而时空曲率就是引力。地球表面的重力加速度为9.81米每平方秒，重力会将人或物体拉向地面，但这不是地球的核心在起作用。
因为物体距离过近，会产生肯定的排斥力，如果你到了地心，就会远离时空曲率，此时各处的引力相称，你就会失重。当你返回地表，时空曲率恢复后，又会再次感受到引力。

当然，这个方法的实行必须有地心探测仪。不过我们还有其他方法证明，时空扭曲的存在，这就是引力透镜效应。
这也是爱因斯坦广义相对论中，预言的一种征象。当一个巨大的物体，引起富足大的时空曲率时，经过它四周的光线，就会发生弯曲。
这是强引力场中一种特殊的光学效应，雷同于透镜对光线的折射作用。像银河系如许大质量的物体，就能将它四周的空间扭曲成光环。

这种光环称为爱因斯坦光环，引力透镜资助人们，在宇宙中找到了其他的星系和天体。
天文学家曾用哈勃望远镜，拍到了11个爱因斯坦光环，此中有五个光环，分列成十字架形状，被人们定名为爱因斯坦十字架，它们便是引力透镜最好的论证。
看起来，爱因斯坦的理论，似乎已经影响了所有关于引力的说法，并且不停有证据支持他的广义相对理论。

爱因斯坦环
但如今，他的理论似乎出现了一个大题目，这个题目是，广义相对论与量子力学不相容。
量子引力属于万有引力理论范畴，它实验将广义相对论与量子力学相结合来将重力场量子化，但现在它还没有被现有的履历证实，也没有被广泛接受。
这两种理论之间产生了终极矛盾，那就是黑洞奇点。
黑洞起源于广义相对论，根据黑洞质量能确定黑洞的边界和奇点位置，但根据量子力学黑洞奇点却根本不存在。

不过，相比之下，广义相对论略胜一筹。科学家在夏威夷用斯巴鲁望远镜观察宇宙，他们追踪到一颗名为SO2的蓝色恒星，最靠近人马座A。
人马座A，是银河系中心的一个很大的天体，它的此中一部分人马座A星，是离我们近来的超大质量黑洞。
SO2围绕人马座公转的周期为16年，如果广义相对论精确，黑洞便会耗尽SO2的能量，并拉长它的光波，形成引力红移效应，将颗恒星的光从蓝色变为赤色。

人马座A星
正如爱因斯坦预测的那样，SO2开始发射红光，证明广义相对论是对的。
但它仍有肯定的脆弱性，黑洞虽然是用广义相对论推导出来的，但广义相对论无法解释黑洞内部的引力，且爱因斯坦到去世前，都不相信黑洞存在。
现在，科学家正在寻找一种极度的时空曲率，他们相信不出十年，广义相对论会被推算到极致，届时也肯定会再出现一个天才，告诉我们爱因斯坦的引力理论究竟有没有题目。

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