為什么引力會導致空間彎曲

時間：2021-02-24 12:28:41 科普知識我要投稿

為什么引力會導致空間彎曲

　　引力即任意兩個物體或兩個粒子間的與其質量乘積相關的吸引力，自然界中最普遍的力，簡稱引力。下面是小編為大家整理的為什么引力會導致空間彎曲，僅供參考，歡迎閱讀。

　　萬有引力是牛頓的偉大發現之一，萬有引力定律表述為：任何兩個物體都是相互吸引的。引力的方向沿著兩個物體之間的連線，引力的大小跟兩個物體的質量乘積成正比，與它們的距離平方成反比，比例系數叫作牛頓引力常數，或者叫萬有引力常數。

　　牛頓并沒有告訴我們萬有引力有什么更深層的起源，也就是說，牛頓認為萬有引力是基本相互作用力。我們并不覺得這有什么奇怪，例如，電磁力就是電磁力，也不可還原為更加基本的力。萬有引力定律十分強大，既可以解釋地球上一切受到地球吸引的物體的運動，也可以解釋天體的運動，例如地球如何繞太陽做橢圓運動，月亮如何繞地球做橢圓運動，還可以解釋潮汐現象，可以解釋銀河系，星系團的.結構和起源。

　　從牛頓到愛因斯坦之間的250年間，幾乎沒有人懷疑過萬有引力定律，也沒有人想修正這個理論。那么，愛因斯坦為什么要修改萬有引力定律？是他發現有什么現象萬有引力定律解釋不了？還是有什么天體的運動規律突然偏離了萬有引力定律？或者，愛因斯坦覺得萬有引力定律背后還有更深的物理原因？

　　啟發愛因斯坦尋找新的萬有引力理論的動機有兩個。第一個，他的狹義相對論某種意義上是麥克斯韋電磁理論需要的運動學。愛因斯坦狹義相對論的第一篇論文的題目就是《論動體的電動力學》，他想知道不同慣性系之間電磁學運動方程之間的關系。他發現在狹義相對論中，麥克斯韋方程在不同的慣性系里的數學形式完全一樣。當然，光速本身也是麥克斯韋方程的結論之一，所以光速不變。因此前面提到的伽利略相對性原理對于麥克斯韋方程是正確的。愛因斯坦將目光轉到萬有引力上時，問題來了。牛頓的萬有引力是瞬時力，萬有引力定律不滿足狹義相對論中的伽利略原理。這樣，牛頓定律必須修改。

　　第二個動機是，為什么慣性質量與引力質量有關？這兩個質量的起源完全不同。慣性質量在狹義相對論中等價于能量，而引力質量是牛頓為了表述萬有引力定律引進的，不一定就是慣性質量。

　　愛因斯坦認為，要將引力與狹義相對論結合起來，不可避免地要推廣慣性原理。他花了好幾年一直沒有找到出路，終于有一天，他興奮地想到，慣性質量與引力質量相等是解決問題的關鍵。

　　為什么這個簡單的想法是解決問題的關鍵？這是因為，如果引力質量與慣性質量完全相等，那么我們就會看到，在時空的一點附近所有的點粒子的加速度都是一樣的。如果作為觀測者的我們也有這樣的加速度，那么依我們自己作為參照系，所有粒子都沒有加速度，這不是一個局域的慣性系嗎？在我這個自由降落的慣性系中，所有物理學定律和慣性系中完全一樣。于是，我就可以原封不動地將慣性系中的物理學定律寫下來。那么，在一個抵抗引力不做自由下落的坐標系中，物理學定律可以通過“翻譯”自由下落的慣性系中的物理學定律得到。

　　由此，愛因斯坦想到彎曲幾何的類比。取任何一個曲面，例如球面，在曲面上一個點的附近，曲面近似是平坦的，這個“附近”范圍越小，幾何就越平坦。整個彎曲面的幾何是無數這種平坦的幾何拼接成的，有點像足球，每一塊縫制足球的五邊形和六邊形看上去并沒那么彎，如果將這些小塊皮做得更小一些，就更平了。現在，在引力場中，既然每個時空點附近都有局部慣性系，那么我們可以將無數局部慣性系“縫制”成一個彎曲時空。

　　慣性系確實是平坦的，因為根據愛因斯坦的觀點，在慣性系中，最關鍵的不再是空間距離，而是“時空距離”，這個時空距離有某種絕對意義，如果我們從一個慣性系轉換到相對勻速運動的另一個慣性系，這個“時空距離”不變，但空間距離不再有絕對意義。所以，愛因斯坦將彎曲空間推廣為彎曲時空，他的場方程告訴我們時空的彎曲與能量以及動量有關。

　　我們很容易想象彎曲的曲面，這是因為我們可以在三維空間中直接看球面、環面等。當然，在數學理論中，數學家完全可以擺脫三維空間研究曲面，只要給出曲面上的長度度量，曲面的性質就決定了。類似兩維曲面，我們可以想象三維彎曲空間，不必將三維彎曲空間放進四維空間或更高維空間中。空間彎曲，對于一個幾何能力稍好的學生來說，并不難想象。最后，如何想象彎曲的時間空間？彎曲的時間還是好想象的，就是在不同的空間點，時鐘走的快慢不一樣。愛因斯坦的彎曲時空是現代萬有引力理論。

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