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廣義相對論淺說

(2013-07-03 05:37:24) 下一個

廣義相對論很有名,但多數人不知道裏麵到底說些什麽。隻見一堆名詞:時空彎曲,黎曼幾何,非歐空間,黑洞等等,很玄乎。網上有些廣義相對論淺說這類文章,但說得還是有點高深難懂。這裏俺試試做個最簡易的解說,希望沒物理背景的人讀後也能理解廣義相對論的基本內容。

古人開始不知道大地是個球,以為是個平麵,就不敢朝一個方向一直航海遠去,怕這世界沒盡頭,回不了家。後來知道大地是個球,就敢朝一個方向一直航行下去,繞地球一圈還能回到老家。這個例子說明一個二維空間如果是平的,就是開放無界的。如果彎成個球麵,就是封閉的,再怎麽走還是會回到原處,但又是無界的,可以一圈一圈一直繞球麵走下去。這個彎曲空間的概念是廣義相對論裏最基本的概念。

上麵說的是個二維問題。現在的人會造飛船,不一定非要貼著地球麵航行,可以飛離地球,因為我們所處的世界是三維的。但敢不敢開著飛船朝一個方向一直飛下去?如果宇宙這個三維空間是“平”的,宇宙就是無窮大,飛太遠了就回不了地球。如果宇宙這個三維空間是“彎”的,開著飛船朝一個方向一直飛下去,就有可能回到地球。彎的三維空間不好想象,也不必多想。能夠理解前麵說的彎的二維空間就行了。

俺們從中學開始學的幾何裏有幾個基本假定,其中一個假定是俺們所在的這個空間是平的,兩條平行線再怎麽延伸也不會相交。這個幾何學叫歐幾裏德幾何,是希臘古人中有些吃飽了喜歡亂想的人這麽想的,俺們中國古人吃飽了就寫詩作賦,傳統不一樣。近代也有人吃飽了亂想。比如,愛因斯坦在狹義相對論裏認為宇宙是四維的:三維空間加一維時間,時間和空間在特定條件下可以互換的。比如現在這裏是2013年,但在宇宙其他地方現在可能是1013年或者3013年,時空穿越是可能的。在廣義相對論裏他認為宇宙中的質量,比如太陽,地球等等,會把其附近的四維空間搞彎了。質量越大就彎得越厲害。這就是所謂的“時空彎曲”。

描述這種彎曲空間的幾何是非歐幾何。非歐幾何有不止一種,愛因斯坦在廣義相對論裏用了一個叫黎曼的人搞出的黎曼非歐幾何來描述他的想法。根據廣義相對論的推算,宇宙中如果有個質量密度極大的東西,比如把太陽壓縮到比芝麻還小很多很多,這個質量附近的四維時空就彎得非常厲害,完全封閉了,在裏麵的光線隻能在裏麵繞圈子,出不來。因為時間和空間等效的,這個質量附近的時間也“彎”得封閉了,裏麵的時間也隻能繞圈子,好比2012年過完了過2013年,2013年過完了又過2012年。外麵的東西給吸進去後都在裏麵繞圈子,再也出不來,這就是所謂“黑洞”。

愛因斯坦1915年提出作廣義相對論,開始作講座時,聽講的很多物理學家很生氣,認為完全是奇談怪論,胡說八道。但因為那時愛因斯坦已經有名了,所以很多人還是願意按著他的說法想一想。行星裏水星離太陽最近,太陽係裏如果空間彎曲的話,那裏會彎得厲害點。人們分析水星運行軌跡,發現有點彎(軸進動),和廣義相對論說的差不多。人們又看到光線從太陽旁邊經過時會拐彎,表示那裏的空間真有點彎。這類觀測一直在進行,精確度越來越高,結果和廣義相對論預言的結果越來越符合。現在人們也觀測到宇宙中有類似黑洞的東西存在。所以現在人們普遍接受廣義相對論了。把廣義相對論歸納成一句話,就是:“質量引起時空彎曲”。從哲學上說,人類不可能窮盡真理,隻能無限逼近真理。所以廣義相對論是目前最好的宇宙力學,但以後還會有更好的理論。廣義相對論沒有任何日常生活的經驗體會,或科學理論實驗的結果作提示,完全是無中生有,憑空想出來的,遠超前於時代,一百多年來還是最好的理論,實在是人類曆史上的一大奇跡。

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若退 回複 悄悄話 謝謝介紹!我當年的第二誌願是理論物理,但第一誌願計算機科學錄取了。
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