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接著說時空

(2024-01-04 08:53:53) 下一個

這個話題,實際上是我試著回答一下上次零不是數和來罘提出的幾個問題。當時回帖說會寫寫這一部分到目前為止的結論,趁還是假期,那就聊一點我知道的。

關於大爆炸。

大爆炸這個假設是怎麽來的?算出來的啊。愛因斯坦的廣義相對論回推到零突然有解。小於零?沒了。

如果你稍微有一點偏微分方程的知識,就很容易理解為什麽會有這個推論。簡單來說,偏微分方程用來描述一種自然界的物理變化過程,任何一個偏微分方程的解都是不定的(當然有可能無解),所以求解偏微分方程,是在基於事實的基礎上給一個邊界條件,也就是具體的值,然後在這個邊界條件下求解。

所以大爆炸理論可以說是廣義相對論的直接推導。有沒有可能錯?當然有可能。所有的理論都有出錯的可能啊,但是今天能叫理論,是它一定可以合理地解釋某些物理現象。而廣義相對論,到目前為止這100年以來的新發現新結論,都和它很吻合。

這也是它最厲害的地方。我不覺得任何一個Prophezeiung可以有資格這樣說。

接著說不變的光速和時空彎曲的概念。

首先,光速肯定是不變的,還是愛因斯坦的廣義相對論的結論。如何理解時間變慢?

按照我們習慣對速度的理解,想象你在一列奔馳的火車上,非常快地跑,比如火車速度200km/h,你也200km/h,如果地麵上人看你,那麽你的速度是線性疊加,400km/h,初中物理?不確定了,反正大家都知道。

下麵是關鍵。

假設你坐在一艘飛船裏以光速飛行,同時你帶了一隻腕表,而且是機械裝置的,也就是指針噠噠噠,你看見的1秒,兩秒,三秒...,在地麵上的人眼裏看他們的表,會變1xxxxxx秒,2xxxxxx秒,3xxxxxx秒...。

也就是說,你的時間相對變慢了。你飛一圈再飛回來,對你隻過了三年,但是地麵上已經是你兄弟的子子孫孫那一代。

因此,關於這個問題,光線、時空彎曲了,那光線從光源到觀測者之間傳播的距離是否就比直線更長?

有一點點需要修正,時空是彎曲的,光線不是。所以不變的光速是不會到達觀測者慢一點的。

並且,光線從光源到觀測者的距離也不會變長,是因為,當接近大質量天體,比如黑洞時,要修正的是標尺(In der Nähe einer Masse ist jeder Maßstab verkürzt.)

同時,關於距離這件事也不再是我們常說的歐氏空間。我多說一點這個問題。

歐氏空間是大家最常見最熟悉的,它的一些概念,比如兩點間直線最短,三角形內角和是180度這些不用我多解釋。

但是,談到廣義相對論,時空彎曲,是不能用歐氏空間的概念來理解的。比如上圖中AB兩點間的距離,是這個球表麵的弧線(黃的部分),屬於Hyperbolische Geometrie,而廣義相對論的彎曲時空中,用的是黎曼幾何。

我不想再多講黎曼幾何,那太長了。有興趣的可以去查一下這個概念。最起碼,我想學過高等數學的,應該都有黎曼積分的概念。呃,就是那個家夥搞出來的。

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評論
新林院 回複 悄悄話 羊大牛 寫道【如果一個人去太空旅行,回來會比地球人年輕,那地球人也是以同樣的速度相對這個人做太空旅行,為什麽不是我們比他年輕呢?】
這個叫“雙胞胎悖論”。
假設雙胞胎A在原地沒動,雙胞胎B朝遠方飛去,又飛回來。
這個悖論問:雙胞胎A、B相對移動,A會比B年輕,B也會比A年輕。這不可能呀!
真正的結果:好像隻有B比A年輕,而沒有A比B年輕。(走的那個年輕,在家呆著那個不年輕。)
有兩個解釋。
(解釋1)A在原地沒動,沒有加速度。B朝遠方飛去,有加速度。再往回飛,又有加速度。所以A、B完全不對等。
(解釋2)A在原地沒動,所以一直用一個坐標係。B朝遠方飛去,再往回飛,換了好幾次坐標係。所以A、B完全不對等。
(物理不是我的專業。以上隻是根據我業餘讀到的。)
方玉 回複 悄悄話 零即是數也不是數,是在數這個問題上的廣義和狹義的概念和論述。
donau 回複 悄悄話 回複 '零不是數' 的評論 : 有可能啊。但是到目前為止這是最能self-consistant的。科學從來接受修正甚至錯誤的。這都沒什麽
donau 回複 悄悄話 回複 '羊大牛' 的評論 : 光速不變是相對論的假設,而測定光速這件事早得多,是法國人Léon Foucault
零不是數 回複 悄悄話 太空旅行者在離地球10萬公裏的環地軌道上以每秒一圈的"頻率“繞來繞去,相對論“速度”是多少?相對時間如何變化?
零不是數 回複 悄悄話 "光速不變“把人們的思路給綁架了。從在地球上(如此小的尺度)試驗測出的結果推開來去,的確能說明了另外一些觀測到的現象與之符合,但也有不符合的地方,比如韋伯望遠鏡的某些觀測結果。大爆炸宇宙學的奇點也是無法自圓其說。正如時空彎曲不可以用歐氏幾何來描述一樣,用光速不變推出的一係列理論也許在更廣義的尺度上應由可變的光速來描述。
羊大牛 回複 悄悄話 謝謝解答。

我覺得科學家沒把這事說清楚,所謂光,不是光源發出的,光源隻是引起周圍的空間振蕩,沒有震蕩,空間就是空間,一振蕩,就變成了電磁波,光波,等等,因此光速不變就沒什麽奇怪的了,振蕩產生後,就和引起振動的源頭沒關係了,隻是空間自己運動而已,那就有一個問題,光速不變是怎麽定義,測量的呢?不能把光源作為參照物,光源的運動也不應該考慮,沒有參照物,說光速不變是可以理解的,但是說光速不變就會推斷時間和空間變長變短就不好理解了。

如果一個人去太空旅行,回來會比地球人年輕,那地球人也是以同樣的速度相對這個人做太空旅行,為什麽不是我們比他年輕呢?他離開時,我們看到他的時間越來越慢,但是他回來時,我們看到他的時間就會越來越快,最後相遇時,時間應該是一樣的, 因此應該一樣變老。
donau 回複 悄悄話 回複 '羊大牛' 的評論 : 光的粒子性不是說光象你看到的石頭有那個形狀。是光攜帶的能量是一份一份的不是連續的。如果你有連續或者極限的概念很容易理解這一點。連續是你可以無窮細分永遠達不到最小的值。而粒子性是說有最小單位。
donau 回複 悄悄話 回複 '新林院' 的評論 : 狹義相對論的假設
羊大牛 回複 悄悄話 假設在一個全部由鏡子圍成的空間裏,打開電燈,到處都是光,然後突然關燈,因為鏡子不會吸收光波,這個空間應該還是很亮,並且可以持續一段時間,但是怎麽光一下子就沒了呢?

如果光真是有粒子性,光子應該從電燈發出,光燈後,那些已經發出的光子都哪裏去了? 掉得滿地都是嗎?

謝謝你的文章,學習了很多知識,雖然很多看不懂。
新林院 回複 悄悄話 【首先,光速肯定是不變的,還是愛因斯坦的廣義相對論的結論。】
好像“光速不變”不是愛因斯坦的廣義相對論的結論。
“光速不變”是愛因斯坦之前人們做實驗測出來的結果。
愛因斯坦根據前人測出“光速不變”的實驗結果,提出了俠義相對論,包括長度縮短和時間縮短。(他看著窗外的火車想出來的)
廣義相對論好像主要是說質量會使空間彎曲,使原本應該直線勻速運動的東西改沿曲線運動,也就是有了加速度,而愛因斯坦說這個加速度就是引力。(他在電梯裏想出來的)
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