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狹義相對論和廣義相對論基本原理

生活 更新时间:2025-01-20 01:54:44

首先說明一點,通俗的語言往往意味着不太嚴謹,但對于普通的科普來講,已經足夠用了,因為我們不是專業的科學家,不需要太深入的研究理解。而嚴謹的解釋往往意味着晦澀的語言,還有普通人很難理解的數學公式。

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)1

這裡盡量避免各種數學公式,用通俗的語言诠釋科學。簡單來講,愛因斯坦的廣義相對論可以這樣诠釋:引力其實就是時空的幾何效應。

該如何理解上面這句話呢?需要弄明白兩個概念:時空和幾何

首先來說時空。字面上理解,時空就是時間和空間的集合體,這樣說沒毛病,但并不太嚴謹。

時空确實指的是時間和空間,但更嚴謹來講,時空其實是一個東西,因為時間和空間是不可分割的整體,這種觀念最初由闵可夫斯基提出來的。

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)2

當我們說“時間和空間”時,其實已經不太嚴謹了,但為了說明某些問題又不得不這樣說。因為任何把時間和空間分開讨論的行為其實是沒有什麼意義的,讨論時間必須帶上空間,反之亦然,讨論空間必須帶上時間。

時間和空間的這種一體性在我們生活中也司空見慣。比如說你約朋友見面,必須把時間和地點(空間)同時告知你朋友,缺少任何一個都沒有意義。你約朋友下午4點見面,但在哪裡呢?

從科學上來講,時間空間的一體性主要體現在光速不變原理,因為光速是絕對的,在任何情況下都是不變的(真空環境),這意味着時間和空間必須發生改變來迎合光速的絕對不變,這也說明光速是時空的内在秉性,固有屬性。

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)3

這就引申出了時間膨脹效應(鐘慢效應)和尺縮效應。速度越快,時間就越慢,空間距離就會越短,這都是為了迎合光速那霸道的絕對性。

光的絕對性其實就是這樣的:即使你以99%光速飛行,我靜止在地面不動,我們看到的光(任何光)的速度都是一樣的,都是光速。

說白了,在四維時空中,時間距離與空間距離其實是等效的,兩者之間就靠光速來量化。

再來說說幾何。

幾何,其實就是形狀,而愛因斯坦廣義相對論的核心思想就是把引力诠釋了時空的幾何形狀,說白了,引力其實就是時空彎曲,而引力隻是一種表象。

用兩個動圖來诠釋:

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)4

上面的動圖中,每個點都代表一個小時鐘,來度量時間,可以看出每個時鐘的快慢是不一樣的,最靠近中心點的時鐘走得更慢,引力那裡的引力更大。

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)5

當物體運動起來之後,幾何形狀就更加明顯了。所謂的引力其實就是時空彎曲造成的。時空彎曲的方向指向運動物體的質心,并不是網上很多示意圖描述的“向下”,像蹦床那樣向下凹陷的示意圖,更多的是讓我們更容易理解,其實是不嚴謹的,而宇宙太空中也不存在上下的概念。

狹義相對論和廣義相對論基本原理(何為時空)6

由于引力越大,時間就越慢,所以嚴格來講,地球核心區域的時間就比地球表面要慢,但慢得非常有限(畢竟地球質量還是太小了),從地球誕生開始算起到今天的45億年時間,地球核心時間大約比地球表面時間慢了2.5小時左右,完全可以忽略不計。

總結一句話就是:時空告訴質量如何運動,質量告訴時空如何彎曲!

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