何为穿越时空?广义相对论篇(一)
据说牛顿当年被一颗苹果树上掉下的苹果砸中了脑袋,然后灵光一闪提出了著名的万有引力定律,虽然牛顿当年是否真的被苹果砸中,这件事的可信性并不高,但万有引力定律确实牛顿提出的无疑(诸如胡克等说法,就不去提它了)
牛顿通过前辈科学家的大量观测数据,凭借自身的高超的数学能力和物理直觉,认为宇宙间存在一种广泛分布的力,但凡具备质量的物体都会对其周围的物体产生一个吸引力,力的大小与物体之间距离的平方成反比,并取名为万有引力。
在相当长的一段时间内,牛顿的万有引力定律被认为是绝对的真理不可动摇,无论是利用该定律算出了海王星的存在,还是解释了大量天文观测现象,万有引力定律都展现了它惊人的预测力。
直到19世纪末20世纪初,物理学上空出现了两朵乌云,一朵是光速和以太,一朵是黑体辐射中的紫外灾难,第一朵乌云催生了相对论,而第二朵则催生了量子力学(这两朵乌云,相信大家都早已熟知)。
在第一朵乌云催生的相对论方面,爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论主要是颠覆了牛顿的经典时空观,将原本独立的空间和时间,合为了一个整体,但此时尚未涉及到牛顿的万有引力定律,或者说当时爱因斯坦其实是一直想把万有引力定律给容纳进去的,但遭遇了很大的困难。
最后爱因斯坦另辟蹊径,通过等效原理以及广义相对性原理,将引力解释为时空弯曲,而非牛顿意义上的力,之后在经历了数年的数学和物理上探索,最终得到了引力场方程,而且需要注意的是,广义相对论是狭义相对论的扩充,狭义相对论的一切结论都可以在特殊条件下,通过广义相对论得出。
而之前我们提到利用狭义相对论可以进行时间上向未来进行穿越,那么广义相对论也同样可以,甚至于广义相对论还可以在忽视掉一些先提条件下,完成穿越到过去的这一壮举。
我们先来看看广义相对论是如何帮助我们穿越到遥远未来的。
既然引力已经被解释为时空弯曲,而我们在之前的文章中也提到过广义相对论与狭义相对论的区分就在于各自时空的不同,因此狭义相对论的结论是建立在平直时空的,而所谓的平直时空也被称为闵可夫斯基时空(这是以爱因斯坦的大学老师命名的物理概念),在这样的时空下,关于时间、空间的变化都可以用一个线元表达式包含在内,我们常见的洛伦兹变化方程组实际上狭义相对论早期的数学形式,那个时候爱因斯坦的老师闵可夫斯基还没有用数学去重新包装一下狭义相对论。
而平直时空也就意味着是一个没有引力的时空(或者叫做宇宙比较好),在这样的环境下,两个惯性系之间的相对运动,我们是可以用常见的尺缩钟慢公式去计算相应属性的(当然了,如果不是惯性系,我们还是有办法去计算,并且我们仍将其归结于狭义相对论范围内)。
当时空不再平直,那么尺缩钟慢效应还存在吗?也就是当一个位于不同引力场强的静止物体,它的尺寸会发生变化吗?
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