广义相对论=广义垃圾论?如何理解爱因斯坦的时空弯曲?

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2021-11-21 00:16 每日新闻汇

爱因斯坦的广义相对论从面世至今已经逾一百年了,但时至今日,依然是推崇者与反对者并存,可见这个理论并没有让所有人信服,更不是人人都推崇广义相对论的。英格兰数学家和电子工程师奥利弗·亥维赛(1850—1925)把广义相对论称作“愚蠢的理论”;科学家普尔还专门写了一篇论文,质疑1919年日食观测结果并没有证明广义相对论的正确性。

更有甚者,美国哥伦比亚大学的天文学家查尔斯·莱恩普尔(1866—1951)称爱因斯坦是一个“引起世界大战的世界范围的精神错乱受害者”。芝加哥大学的天文学教授托马斯·杰斐逊·杰克逊·西伊(1866—1962)则把爱因斯坦称作一个“混淆视听者”。他说:“爱因斯坦的理论是一个大错误,说以太不存在,以及引力不是力而是空间的一种属性,这些只能说是疯狂的妄想,令我们所处的时代蒙羞。”看了这些评论,无怪乎很多人将广义相对论说成是“广义垃圾论”。但事实果真如此吗?显然并不是!

比如说广义相对论中的时空弯曲,我们普通人仍然是可以试着去理解且完全可以理解的。我们在自由下落的过程中就感觉不到重力了,这就是跳伞者在降落伞打开之前的感受,但这种感觉可不是经常有的。地球的表面、房间的地板或船的甲板等障碍物阻止了下落。重力正是用我们对这些障碍物的反作用力来度量的。如果没有这些障碍,我们就会自由地悬浮于空中,沿着引力的斜坡(弯曲的时空),朝向地球中心一直下落。

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爱因斯坦说,整个宇宙的时空被各种大质量的天体(例如地球)弄得到处都是这种凹陷。星球上的物体都会滑进各自的引力阱。这就给了我们重力的感受。为什么宇宙中不同地方的引力是不同的呢?局部地区的引力实际上反映了引力场凹陷的倾斜程度。在重力比地球小得多的月球上,引力所产生的凹陷也要小,所以滑向这一凹陷的时空坡度比地球平缓不少。所以,天体的质量越大,引力凹陷的坡度就越陡峭,产生的时空弯曲就越剧烈了。

牛顿认为空间是平坦的。所以当爱因斯坦想到时空可能是弯曲的时候,他对整个宇宙的认识将发生极大变化。一个重要的问题是根据惯性,粒子和光应该走一条直线,那么在一个弯曲的时空中它们怎么走直线呢?在每个时空小块中,我们都可以把它们看作惯性参考系,即局部惯性系。一个物体或一束光在这样一个局部惯性系中是尽可能走直线的。而从这一小块局部惯性系到下一小块局部惯性系时,它们的运动方向会有一点点的改变,当然这种方向的小变化它们自己是感觉不到的。随着这一块一块的时空越来越小,那么这个时空就成为一个连续体。

我们大家对这样一种弯曲的空间可能没有什么切身体会,这是因为地球表面的局部时空基本上是较平坦的。所以,地球上相邻两点之间的最短距离通常就是欧几里得几何所给出的直线距离。但是如果考虑的是很远的两个地方,最短的距离就应该是曲线了,比如说飞行员要从地球南极循着最短的路径飞到北极。

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