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空間會彎曲,是愛因斯坦想出來的嗎?為什麼我們要相信他?
2024/02/07

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空間會彎曲,并不是愛因斯坦想出來的,是愛因斯坦計算出來的,也可以說是廣義相對論的合理推論,之所以要相信他,是因為觀測到了空間彎曲產生的效應。

空間是一種容納萬物的容器,里面什麼都沒有,純粹是虛無。而且光可以在空間中任意傳播而不受到影響,這就是我們通常理解的空間,對于一般的人來說空間是透明的。

當然在地球上面空間里面充滿了大氣,按照馮卡門線,地球大氣層和宇宙空間的界面,在距離地表100公里的地方。

所以陽光照射到我們,我們看到的陽光是經過大氣層吸收折射以后的,所以只有真空能夠算得上是純空間。

陽光經過大氣層吸收以后,大氣層會散射陽光中的藍光、綠光,所以天空是蔚藍色的,但是出了大氣層以后天空就是絕對黑色的,因為它不散射光線。

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所以這樣的一種看不見也摸不著的東西,我們怎麼能夠說它彎曲或者是平直呢?

我們說天空是藍的,真空是黑的,都是因為我們對光線的觀測和測量。

所以我們承認愛因斯坦的觀點~空間是可彎的,也離不開對光線的觀測和測量,因為光是萬物一切的極限,人類是被光鎖定的。

在愛因斯坦發展出廣義相對論之前,空間是彎曲的還是平直的,只存在于純粹的數學概念里面。

平直空間又被稱為歐幾里得空間,平直空間里面存在著永遠不相交的平行線。

後來黎曼等數學家發展出了非歐幾里得空間,在這些空間中沒有平行線。

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如果從數學上講,兩者都是存在的,因為平行線公理沒有辦法被證明,所以它只能是世界存在的前提。

但是,對應于我們物理世界就會出現問題。

在地球上我們可以打上網格,形成經緯度 ,所以一個具體存在的球面可以網格化。但是空間沒有辦法打上網格,要知道它是彎曲的還是直的,就是觀測某種運動的效應。

這和廣義相對論的推導過程有關,愛因斯坦推導出廣義相對論,依賴于一個物理上的基本原理,叫做等效原理。

所謂的等效原理是說引力場的局部等價于做加速運動的慣性系。地球圍繞著太陽運行的圓周運動,就是一種加速運動,只是加速度的分量在任何時候都垂直于法向速度。

光不僅是速度的極限,也是萬物存在的底層物質。

組成我們身體的各種原子、分子之所以不散架,就是因為有電磁力的作用,而電磁力的傳播粒子就是光子。

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所以,人類認知的物理世界,不能違背人類自身存在的基礎。

我們對空間的認識,也依賴于光線在空間中的傳播方式。如果光線在空間中的傳播是以彎曲方式進行的,那麼空間就是彎的。

所以空間之所以會彎曲,是人類對空間的光學測量。

我們知道在平直坐標系中兩點之間的距離S,等于X平方加上Y平方的1/2次方。

如果在非平直坐標系中距離就不能這麼算,必須加上一個系數。

當然在平直坐標系中這個系數是隱含的,因為我們一般不提到它,實際上這個系數就是一。

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除此以外,在平直坐標系中三角形的內角和是180度。但是在彎曲的空間中內角和要麼大于180度,比如說在地球球面上;要麼小于180度,比如說在球的內球面。

按照廣義相對論的推論,光線在空中飛行的時候會彎曲。

要檢驗空間是否真的會彎曲,就要驗證光在真空中飛行是否會彎曲。

當月亮遮擋住太陽的時候,就會出現日食,這個時候隱藏在太陽背后星光發出來的光線,經過太陽引力場的時候,就會出現一個偏執的角度,原來我們看不到的星星就會被看到。

這個實驗測量出來的光線在引力場中的偏折角度和廣義相對論計算一模一樣,所以廣義相對論才成為人類物理學中最偉大的理論之一。

遙遠的星系因為有龐大的品質,產生的引力能夠讓背后的一些星系圖像彎成環形,這些環就被稱為愛因斯坦環。

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所以,對于人類來說空間彎曲是真實存在的。

廣義相對論是在狹義相對論正確的前提下推導出來的,所以空間的彎曲速度也必須服從光速限制。

假如太陽突然消失了,那麼地球仍然會在原來的軌道上繞著那個消失的地方運行8分鐘,然后才會成直線飛走。

空間彎曲在宇宙中的傳播速度是光速,所以會像波浪那樣擴散,這就是所謂的引力波。

在引力波擴散的地方會對空間產生擾動,這種擾動會讓光產生極其微小的偏差,如果能夠記錄這種偏差,就能測量引力波和引力的傳播速度。

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測量引力波的裝置叫做激光干涉引力波天文台。它是兩個相互垂直的,抽成真空的長管道,有激光在里面通過鏡面反射,只要空間稍微產生一丁點的彎曲,激光反射以后的路徑就會改變,這時候我們就能測到空間的波動。

但是引力是一種非常弱的力,所以引力波也非常的弱,探測的精度需要達到一個質子直徑的1/1000。

萬物都可以產生引力,所以干擾也很多,在美國華盛頓和新澤西各有一台引力波天文台,要同時檢測到引力波才能夠確定一起引力波事件。

宇宙中發生的黑洞合并事件就會向空間釋放出能量巨大的引力波,這些引力波擴散到地球上,會被引力波天文台所記錄,我們就知道黑洞進行了合并。

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13億光年外的兩個大黑洞合并以后釋放出了高達三個太陽品質的引力波,經過了13億年的旅行,在2015年9月14日掃過地球,被引力波天文台探測到。

這是人類第1次測量到引力波事件。

隨后由于探測的精度越來越高,引力波天文台又發現了很多的引力波事件,所以空間會彎曲產生引力波,是板上釘釘的事實。

正因為空間是可以彎曲的,所以科學家們想象存在一種特殊的裝置可以給飛船驅動,這就是曲率飛行。

曲率飛行實際上就是在飛船前進的方向制造一個空間彎曲,這個空間彎曲就相當于一個坑一樣,飛船就自動往那個坑里掉,飛船一邊往坑里掉,然后一邊制造這個坑,飛船就往前前進了。

這也相當于我們騎腳踏車,如果不用腳踏,可以用一個鋤頭在前輪前面挖坑,然后腳踏車就會朝前進,前進的速度取決于挖坑的速度。

正因為空間的彎曲速度是光速,所以即使飛船采用曲率航行也無法超光速。

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