空間中并不存在引力這種「力」?廣義相對論又是如何定義引力的

漫酱~ 2023/01/06 檢舉 我要評論

我們通常認為,地球的引力是可以用秤來稱重的,比如你踩上一個秤,顯示出來的體重,就代表地球對你的引力有多少。

宇宙中也有引力,太陽系中的行星,能規矩地按照軌道行進,就是因為太陽的引力。

此外,擁有強大引力的還有 黑洞,這些都是萬有引力的理論,很容易理解。

但是愛因斯坦的廣義相對論,卻對引力有不同的解釋,他認為 引力根本不是力,而 是另一種復雜的宇宙現象。

本期內容就來剖析一下, 廣義相對論是如何定義引力的?以及它在宇宙的研究上究竟有多準確?

每個人都聽過牛頓發現萬有引力的故事,不過故事中的蘋果并沒有砸在他頭上,而是他看到蘋果從樹上掉下,于是開始思考,為什麼蘋果會垂直掉到地上,而不是向著其他方向運動。

牛頓推測,是蘋果和地面之間的引力,將它們拉向彼此。引力的大小,與物體質量的乘積成正比,與距離的平方成反比。

這種牽引讓物體運動的路徑最短,同時能最大程度地減少能耗。他還認為,蘋果掉落是重力讓它向地面加速運動。

牛頓最初認為引力只是種推力而不是拉力,但他覺得自己的理論欠缺了些什麼。

不過這不妨礙大多數人認可他的萬有引力定律,并且毫不動搖地相信了近400年。

廣義相對論改變引力理論

直到愛因斯坦在1915年提出了 廣義相對論,人們才開始重新審視引力的概念。

當時,人們嘲笑愛因斯坦居然敢挑戰牛頓,認為他的觀點太過激進,不可信。廣義相對論中一個關鍵點是, 引力場中所有的物體,都以同樣的速度下落

幸好,愛因斯坦不是一個人在戰斗。這點是 伽利略先得出的,他發現在沒有大氣阻力的情況下,同一高度,不同質量和形態的物體自由落體,會同時落地,這叫 等效原理

1971年阿波羅15號的宇航員,也在月球上做了跟伽利略一樣的實驗,他同時放開一片羽毛和一把鐵錘,質量相差如此之大的兩個物體,竟然同時落地。

這個理論表示, 引力加速度與物體的組成無關。

根據愛因斯坦的理論,引力不是物體之間的力量,而是有質量的物體發生了空間和時間的扭曲,如果沒有力作用在物體上,它們將保持直線運動。

愛因斯坦認為, 較小的物體不會被較大的物體拉動,但是物體能被它們上方的空間往下推。

他還認為,任何物體都能扭曲空間結構和時間,這叫「空間時間」,空間中并不存在引力這種力。

時間與空間組成了 四維時空結構,這稱為 「時空連續體」,是一個三維空間與時間維度的結合,物體質量越大,對周圍空間的扭曲程度就越高。

愛因斯坦把蘋果掉落,行星繞恒星運行等物體,在時空連續體中的曲線運動,稱為 引力

看這個抽象的時空網格,它正在為你可視化引力是如何工作的。正如它演示的那樣,地球的質量扭曲了時空,并產生了一個 引力井,這個引力井會將地球上的一切物體往下拉。

月球上也有相同的引力井扭曲時空,但是地球和月球之間的引力不夠大,無法把月球拉向我們,所以月球不會像蘋果那樣從高空掉落下來。

太陽也有一個巨大的引力井,能吸住太陽系的星體乖乖地留在里面,不會飛向更遠的太空。

人類發射的航天器,在宇宙中不斷移動位置,也能帶我們了解太陽系中,各星體的引力井是如何發揮作用的。

航天器發射時要靠很大的推力,來增加初速度,然后利用時空扭曲,或太陽系里的其他星體引力將自己拉進太空,往另一個方向飛。

當它接近其他星體時,便會受到其他引力的影響,移動速度也隨之變快。

這就是宇宙中物體相互吸引導致的,時空是彎曲的,當航天器離目標物體越近,加速度也越快。這表示,航天器進入了它的引力場。

不過請注意, 引力場不是引力,而是物體引力輻射出去的范圍

月球的引力場比地球小,因為它的質量比地球輕。從萬有引力角度來看,物體質量越大,引力也越強,引力場也相對較大。

太空中的引力場無處不在,它們就漂浮在我們頭頂,只是我們感覺不到其他行星,甚至地球軌道上的引力場。

不過,在近地球軌道運行的空間站,能感受到地球的引力場,并且地球軌道上的有效引力與地面的引力差不了多少。

比如你在地球上重100斤,你到了空間站后,重量大約是90斤,并沒有減少的太離譜。

但是有個問題,既然地球附近的太空中有引力,為什麼太空中的宇航員,看起來像在失重的狀態下漂浮呢?

其實不然,太空中的所有物體包括空間站,都會在真空的太空環境中同時墜落。這種人與物體的失重表現被稱為 微重力,它是由太空殘余的大氣等因素造成的。

不管物體質量是多少,只要以一樣的方式下落,遠離引力源的宇航員,和在物體引力場中自由落體的宇航員,都會有相同的體驗。

空間站飛在近地軌道,由于地球引力,它時時刻刻都在往下墜,需要的時候可以開啟動力往高處變軌。

但要是燃料用完了,它就會以28000公里的時速俯沖向地球。

引力透鏡現象可證實時空扭曲論

時空扭曲論是愛因斯坦相對論中的內容之一,雖然有爭論,但我們也有方法能證明它的準確性。

一切具有質量的物體都能彎曲時空,而時空曲率就是引力。地球表面的重力加速度為9.81米每平方秒,重力會將人或物體拉向地面,但這不是地球的核心在起作用。

因為物體距離過近,會產生一定的排斥力,如果你到了地心,就會遠離時空曲率,此時各處的引力相等,你就會失重。當你返回地表,時空曲率恢復后,又會再次感受到引力。

當然,這個方法的實施必須有地心探測儀。不過我們還有其他方法證明,時空扭曲的存在,這就是 引力透鏡效應

這也是愛因斯坦廣義相對論中,預言的一種現象。當一個巨大的物體,引起足夠大的時空曲率時,經過它周圍的光線,就會發生彎曲。

這是強引力場中一種特殊的光學效應,類似于透鏡對光線的折射作用。像銀河系這樣大質量的物體,就能將它周圍的空間扭曲成光環。

這種光環稱為 愛因斯坦光環,引力透鏡幫助人們,在宇宙中找到了其他的星系和天體。

天文學家曾用哈勃望遠鏡,拍到了11個愛因斯坦光環,其中有五個光環,排列成十字架形狀,被人們命名為 愛因斯坦十字架它們便是引力透鏡最好的論證

看起來,愛因斯坦的理論,似乎已經影響了所有關于引力的說法,并且不斷有證據支持他的廣義相對理論。

愛因斯坦環

但現在,他的理論似乎出現了一個大問題,這個問題是, 廣義相對論與量子力學不相容

量子引力屬于萬有引力理論范疇,它嘗試將廣義相對論與量子力學相結合來將重力場量子化,但目前它還沒有被現有的經驗證實,也沒有被普遍接受。

這兩種理論之間產生了終極矛盾,那就是 黑洞奇點

黑洞起源于廣義相對論, 根據黑洞質量能確定黑洞的邊界和奇點位置,但根據量子力學黑洞奇點卻根本不存在

不過,相比之下,廣義相對論略勝一籌。科學家在夏威夷用斯巴魯望遠鏡觀察宇宙,他們追蹤到一顆名為 SO2的藍色恒星,最接近 人馬座A

人馬座A,是銀河系中央的一個很大的天體,它的其中一部分人馬座A星,是離我們最近的超大質量黑洞。

SO2圍繞人馬座公轉的周期為16年,如果廣義相對論正確,黑洞便會耗盡SO2的能量,并拉長它的光波,形成引力紅移效應,將顆恒星的光從藍色變為紅色。

人馬座A星

正如愛因斯坦預測的那樣,SO2開始發射紅光,證明廣義相對論是對的。

但它仍有一定的脆弱性,黑洞雖然是用廣義相對論推導出來的,但廣義相對論無法解釋黑洞內部的引力,且愛因斯坦到去世前,都不相信黑洞存在。

目前,科學家正在尋找一種極端的 時空曲率,他們相信不出十年,廣義相對論會被推算到極致,屆時也一定會再出現一個天才,告訴我們愛因斯坦的引力理論究竟有沒有問題。

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