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广义相对论是如何解释重力的?  

2018-04-13 12:38:25|  分类: 【相对论集】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 苹果因为引力落地?看爱因斯坦怎么说(中科院物理所) - 真心阳光 - 《真心阳光》博客

从牛顿时代开始,引力便出现在科学研究的各种场合。而最近,它帮助人类“看”到了银河系外的行星。美国俄克拉荷马大学的天文学家近日发表论文称,他们利用美国国家航空航天局钱德拉X射线卫星的数据以及微引力透镜效应,在一个距离我们38亿光年的星系中找到了一批行星,这是人类第一次发现银河系外行星。

引力不是物质之间剪不断的相互吸引吗?它为何能帮助科学家“看见”行星?它的本质到底是什么?

0 1 让苹果落地,也让行星绕转太阳

牛顿认为,两个物体之间存在相互的吸引力,这就是万有引力。从万有引力定律,可以推导出开普勒三定律。这说明行星正是在星体之间的万有引力支配下运动。

提起引力,人们总会想起苹果落地的故事。故事说的是坐在苹果树下的牛顿正为行星运动问题苦思冥想时,一个苹果落在他面前,使他顿悟到使苹果落到地面的重力,正是使月球围绕地球运行的力;地球不仅吸引着苹果,也吸引着地球表面上的一切物体,包括遥远的星星。在十七世纪初,开普勒根据前人第谷·布拉赫的观测数据,总结出太阳系行星运行规律,并提出行星运动三大定律。这三大定律分别涉及太阳系行星的轨道形状、运行速度以及运行周期,对行星运动的轨道规律进行了说明。

开普勒的行星运动三定律真正使太阳成为太阳系行星轨道的中心,也让科学家开始思考,为什么行星会围绕着太阳运动?是什么支配着它们的运动?

牛顿从十七世纪六十年代开始思考这一问题。他从开普勒第三定律推算出,行星保持围绕太阳运动所需要的力与它们到太阳距离的平方成正比。这便是万有引力的雏形。

但系统地提出万有引力,要等到1687年。在这20年间,牛顿对行星椭圆轨道以及与距离平方成反比的力之间的相互关系进行了深入研究,并对引力的普遍性进行了思考。

1687年,《自然哲学的数学原理》出版。在这一科学巨著中,牛顿提出了三大运动定律和万有引力定律。他认为,两个物体之间存在相互的吸引力,这就是万有引力。这个力的大小与两个物体质量的乘积成正比,与物体间距离的平方成反比。从万有引力定律,可以推导出开普勒三定律。这说明行星正是在星体之间的万有引力支配下运动。

万有引力的提出,揭开了日月星辰运行的内在奥秘。它成为人类理解和认识世界的重要基石。牛顿本人用万有引力定律对潮汐、行星岁差等现象进行了解释,牛顿的好友哈雷利用它预言了哈雷彗星的回归周期,法国天文学家勒维耶则由万有引力推算出了海王星的存在。对航空航天事业发挥重要作用的第一、第二、第三宇宙速度的推算,都有着万有引力定律的身影。

值得一提的是,在牛顿的万有引力公式中,有一个万有引力常数G。直到万有引力问世一百多年后,它才由英国科学家卡文迪许用一个设计精妙的扭称测出,使万有引力定律更趋完善。

0 2 引力在本质上是不存在的,只是时空的错觉!

爱因斯坦创建广义相对论的动因之一,是引力无法纳入狭义相对论的理论框架。而在他的新理论中,引力的归宿居然是不存在!行星围绕太阳的运动,不过是它在四维时空中的惯性运动,根本不需要什么万有引力。

虽然一度被认为是极其精确、完美的理论,牛顿的万有引力理论也有它的局限。比如,它无法解释引力的本质是什么。还有一些自然现象,牛顿的万有引力也无法解释。

天文观测早已发现,水星轨道的近日点以十分缓慢的速度围绕太阳发生位移,这被称为水星近日点进动。根据万有引力定律可以计算出这种进动的速度,然而它与实际观测得到的精确数值之间存在差异,每一百年的差异值为43角秒。为了弥补这一差异,科学家做了各种尝试,比如假定水星附近还有一颗会影响其轨道的“火神星”,或者对引力的平方反比关系进行修正,又或者采纳电磁理论来进行解释。这些尝试无一得到证实,直到爱因斯坦出现。

苹果因为引力落地?看爱因斯坦怎么说(中科院物理所) - 真心阳光 - 《真心阳光》博客

1905年,爱因斯坦以光速不变原理为基础,完成了狭义相对论的创建,预言物体在高速运动情况下, 会出现牛顿经典物理学中没有的相对论效应。10年后,划时代的广义相对论问世,目标直指引力的来源和本质。

与牛顿的理论不同,在广义相对论中,时间和空间不再是相对独立的存在。考量物体运动的场景,不再是三维空间,而是时间与空间相互联系的四维空间——时空。物体的运动反过来又会对时空发生影响。

这两种空间很不同。牛顿的三维空间是欧几里得平直空间,牛顿经典物理学的所有理论都建立在这个基础之上。爱因斯坦的四维时空则可能不是平直的——它可能是以球面为代表的正曲率空间,也可能是以马鞍面为代表的负曲率空间,只有在曲率为零时它简化为平直空间。而时空曲率由其中的物质决定。

爱因斯坦写下的广义相对论场方程正说明了这种关系:物质的能量、动量会使时空弯曲。而其运动方程则说明了在这样的时空中物质的运动规律。

在弯曲时空中,很多规则都发生了变化。比如,两点之间最短的线不再是直线,而是一条叫做测地线的曲线。对此,最直观的例子是,从北京飞往美国洛杉矶距离最短的航线,并非向东直接穿过太平洋,而是先向东北方向飞行然后向东南方向折回进入美国大陆的一条曲线。其中的原因在于,飞机是沿着三维球面飞行,两地之间的最短线路是通过两地和地心做出的一段大圆弧,曲折的航线是它在二维地图上的投影。

苹果因为引力落地?看爱因斯坦怎么说(中科院物理所) - 真心阳光 - 《真心阳光》博客

弯曲时空中的物质运动也与我们的直观认识不同。从爱因斯坦的运动方程,可以求解出不受外力的自由质点在弯曲空间的轨迹,它是四维时空中的一条螺旋状曲线。如果把它投影到三维空间中,恰好是行星在太阳引力作用下的椭圆轨道。也就是说,行星围绕太阳的运动,不过是它在四维时空中的惯性运动,根本不需要什么万有引力。

爱因斯坦创建广义相对论的动因之一,是引力无法纳入狭义相对论的理论框架。而在他的新理论中,引力的归宿居然是不存在!

人们常用床单来类比这种情况。如果不考虑物质对时空的影响,那么我们的时空就如同一张绷平的床单。在床单的中央放置一个铅球,床单会凹陷下去,就好像广义相对论中由于物质而弯曲的时空。如果把一个小球放在凹陷的床单上,它会向铅球的方向滚过去,似乎受到铅球的吸引力。而实际上,小球的运动只是由于空间的几何效应。牛顿认为无所不在的引力,本质上是不存在的。

0 3

构建最精密望远镜,望向遥远行星

用微引力透镜造成的这台“望远镜”,精度超过地球上以及天空中精度最高的观测仪器,让人类首次在其他星系找到行星的证据。

有了广义相对论,水星近日点进动问题迎刃而解。爱因斯坦计算出的水星近日点进动速度与观测完美吻合。在发表广义相对论时,爱因斯坦还预言,由于时空弯曲,从太阳表面飞出的光子会发生频率红移,遥远恒星的光在通过太阳附近时会发生偏折。这些预言被之后的观测逐一证实,印证着广义相对论在描述世界方面的精确性。尤其是光线的引力偏折。虽然牛顿引力理论也能计算出光线的偏折角度,但和水星近日点进动问题一样,计算结果偏差太大。

引力透镜效应正是光线引力偏折的表现。星系等大质量天体(透镜天体)会使它附近的时空弯曲,当后方背景天体的光线从这弯曲的时空通过时,光线便会发生偏折,就好像光线通过透镜时那样。根据背景天体、透镜天体、观测者三者的不同位置关系,最终会在观测者眼中形成多个像或者环状像。1987年,美国天文学家杰奎琳·休伊特第一次观测到了引力透镜形成的环状像——爱因斯坦环。如今人类已经到很多类似的引力透镜图像。

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从相对论开始。我们高中时经常写下的式子弦理论,量子理论,广义相对论都是如何解释重力的? - 真心阳光 - 《真心阳光》博客,如果其中的力用引力代替:弦理论,量子理论,广义相对论都是如何解释重力的? - 真心阳光 - 《真心阳光》博客;我们会下意识地约掉两个m,而正是这一点使得我们可以把一种「力」归结为空间的性质,而与具体的物体无关:因为方程中不出现质量。
现在,引力不再是一种力了,而如果一个物体不受力,它应当沿着直线运动;所以引力的作用,就是让物体看来的「直线」,在我们旁人看来成为「曲线」,也就是所谓的空间弯曲。
量子理论把「力」描述成通过传播粒子的相互作用。在某一点上,粒子A发射一个粒子,被B在另一个点上接收到,这样就完成了一次相互作用;在这种描述下,应当有「引力子」这种粒子存在,但是现在并没有被观测到。
但是要注意,量子理论和相对论的结合并不是显而易见的,就算是理论预言的引力子,也不是通过简单地把相对论和量子场论放在一起完成的。两个理论有一个矛盾:由于量子场论把相互作用处理成在一个点上发生的,从而使得引力的计算得到发散的结果;弦论是解决这个问题的一种方法:弦作为一维的物体,使得相互作用不再发生在点上,于是解决了发散的问题。这时候,引力就是弦发射弦,弦接受弦的相互作用了。
                     广义相对论如何解释什么是重力?两个球做实验让我们更容易理解

 

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