根據廣義相對論,為何物體落到地球上?科學家的回答讓我感到意外

廣義相對論如何解釋為何物體下落?

自由下落和最大適當時間。

物體下落,我們非常熟悉。但物體為什麼下落,知道的人卻比較少。我們通常所說「重力」,那是牛頓的經典物理學的觀點。

而在廣義相對論中,我們將一個下落的物體視為無受力(如空氣阻力等要忽略)物體,但是其運動遵循時空的「最直」路徑。在普通的空間中,最直的路徑就是,兩點之間線段最短。在平面上實際就是一條直線,在球形表面則是一個大圓,比如說像赤道一樣。

圖1     平面直線與球面直線

圖1 平面直線與球面直線

在時空中,有物體的距離是有幾分不同的:兩點不是簡單的空間中的點,而是時空中的點。在兩點(又稱事件)之間最短的路徑,現在是一條穿過時空的路徑,比如一條路徑能夠讓物體能夠在時空中穿梭。兩個事件之間的時空間隔的大小可以被計算出來。也就是說在廣義相對論中,起決定作用的只有一點,即質點以儘可能長的時間沿著這種連接路徑通過,就是兩個事件之間最直的連接路徑。

圖2   時空——Wikipedia

圖2 時空——Wikipedia

為什麼時間要儘可能的長?有兩種原因:其一,根據狹義相對論,小球運動得越快,其時間流逝得越慢。在正常速度下,這種影響很小,假設小球以恆定的速度5m/s運動一秒,這種影響可以導致小球實際運動得時間比一秒只少一點兒,大約少0.14飛秒。一飛秒是一秒的千萬億分之一——這種影響極其的小!

除此之外,還有第二種影響:根據廣義相對論,時間在高海拔(離地球很遠)過得快一點兒。如果一秒鐘在0海拔處流逝了一秒,在5米處就多過了0.55飛秒。

這兩種影響同時確保了一個下落的小球會以增加的速度下落。除了引力時間膨脹因素,兩事件在時空的最直連接因此以恆定速度通過。因此,根據牛頓定律,未受力的物體也以恆定速度移動。當然,除非時空被彎曲了。如果只有這種影響(引力時間膨脹),然後對於小球來說在第一階段(如2.5m)當然最好是儘可能的慢,因為更深一階段(5m)的時間流逝得更快。但是正因為有兩種因素都影響,我們不得不兩個都考慮。因此小球應該在第一階段慢一點兒,在第二階段快一點兒,以便從兩種因素中得到一個折中的結果。

下落小球的世界線是一條拋物線,你可能在物理課上學到過。那時候你學到一些事情,比如關於「重力」和「加速度」——事實上小球只是遵循時空最大合適時間,因為這是最直的線。

圖3

圖3

廣義相對論(GR,也稱作GTR)是阿爾伯特·愛因斯坦在1915年發表的幾何引力理論和現代物理學中對引力的當下描述。廣義相對論概括了狹義相對論,並改進了牛頓的宇宙引力定律,提供了一個描述,即引力作為空間和時間,或時空的幾何特性的一體性描述。特別是,時空的曲率直接與能量和動量有關,這些能量和動量是目前無論任何物質和輻射的能量和動量。該關係被愛因斯坦的場方程明確證明是一個部分不同方程組的系統。

圖4 愛因斯坦的著作

一些廣義相對論的預測與那些經典物理學有明顯不同,特別是考慮到時間的航程、空間的幾何特性、自由下落過程中物體的移動,以及光的傳播等因素。這些不同的例子包括引力時間膨脹(延緩)、引力透鏡效應、光的引力紅移,和引力時間延遲效應。到目前為止,廣義相對論的預測相比於經典物理學的不同之處已經在所有觀察和實驗中被證實。儘管廣義相對論並不是唯一的引力相關理論,但是它卻是由實驗資料構成的最簡單的理論。然而,仍然存在未解之謎,比如量子物理學定律如何適應最基本的廣義相對論因而產生一個完整的自相關量子引力理論。

圖5        黑洞

圖5 黑洞

愛因斯坦的理論暗示重要的天體物理學。例如,其暗示了黑洞的存在——以這樣一種方式,即任何物質、甚至光都不能逃脫的時空扭曲的區域——即大質量行星的最終形態。我們有充足的證據證明某些種類的天體散發出的巨大的輻射能源於黑洞。例如,由於恆星黑洞和超級黑洞的存在分別產生微類星體和活躍星系核。引力造成的光線的彎曲能夠導致引力膨脹的現象,即相同距離的天體在夜空中可以看見數量眾多的圖像。廣義相對論也預測了引力波的存在,引力波已經被物理合作LIGO(鐳射干涉引力波天文臺)直接觀測到。

圖6   LIGO天文臺

圖6 LIGO天文臺

除此之外,廣義相對論是一直膨脹的宇宙現代宇宙哲學的模型的基礎。作為一個卓越的典範理論被廣泛認知,廣義相對論經常被評論為現行的物理學理論中最出色的一個。

作者: Toni Sementana

FY: 冒泡泡

選文:天文志願文章組-

翻譯:天文志願文章組-冒泡泡

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://www.quora.com/Why-do-objects-fall-down-onto-the-earth-according-to-general-relativity-gr/answer/Toni-Sementana

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