广义相对论_奇点天文奥秘

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广义相对论_宇宙时间奥秘
 
 
时空弯曲的程度,是由于宇宙中物质的分布所决定的:一个区域内的物质密度越大,时空的曲率也就越大。这样太阳附近的时空就要比地球附近弯曲得利害,因为太阳的质量要大得多。广义相对论的宇宙中,引力已不再像以前我们理解的那样是一种力,它已经被转化到时空的几何(曲率)中去了。用爱因斯坦的新观点来看,可以说,引力产生于从狭义相对论的平直空间到广义相对论的弯曲空间的转换之中。
 
这样,我们对一些日常事件的看法,例如像对苹果落地这样的事件,就从根本上改变了。与其把引力想象成为某种神秘的力,经过空间作用在一段距离上,倒不如设想,像地球这样的大质量物体,使空间和时间发生了畸变。为了对这个说法有一个直观的了解,一个简单的办法,是把时空想象成一张平展的橡胶软垫。大质量的物体放上去,会使橡胶垫发生局部变形,变形的程度决定于物体的质量。太阳在我们太阳系中,质量远大于其它任何行星,所以它使时空畸变得最厉害。行星可以用大小不等的球来代表,这些球在橡胶垫上围绕太阳滚动,球滚动的路径也就是行星的轨道,它们都位于太阳附近的深“阱”之中。从树上掉下来的苹果,不是被一个力拉向地球,而只不过是滚进地球所造成的局部时空的“阱”里面罢了。
 
 
测地线规定了在广义相对论弯曲时空(S)中的运动路径。如果 A 和 B 是 S 中测地线 g 上足够接近的两个点,则 A 和 B 之间所有其它的连线(l 和 l′)都比测地线为长。在广义相对论中,地球围绕太阳的椭圆轨道被解释为,由于太阳的质量所造成的弯曲时空中的测地线运动。[录自 W·仑德勒(W.Rindler)《相对论精义》第 106 页。]
 
 
物体在弯曲时空中的运动规律,一般是不同于平直时空中的规律的。一个不受引力的物体,在三维空间中是作匀速直线运动的。而在有引力的情况下,新的规律则是物体沿“测地线”运动。测地线基本上就是在弯曲的或平直的时空中连接任意两点的最短的路线,只要这两点充分接近(见图 5)。在速度非常小、物质密度也非常低的情况下,测地线  
运动就退化成牛顿描述的运动。显然,广义相对论的这种“退化”一定会发生,因为牛顿物理学所作的预言,在它所适用的范围内是十分成功的,这我们在上一章
 
 
行星绕日运行时近日点的进动。[录自 W·仑德勒《相对论精义》第 145 页。]
 
 
中已经讲到过。然而,对于牛顿无法回答的一些问题,爱因斯坦却可以用测地线运动来解释。
 
第一个例子是有关水星——它是离太阳最近的行星——轨道的一个很小但很重要的细节。虽然爱因斯坦在推导相对论的时候,几乎没有考虑到这个问题,但它却成了对他的新理论的一次辉煌验证。按照牛顿力学,一个单独绕太阳运转的行星,它的轨道应当是一个精确的闭合椭圆,并且轨道的近日点也是固定的(近日点是行星轨道上离太阳最近的一点)。但是水星轨道的问题是,它的近日点不是固定的。其它行星的引力,以及太阳系里小行星带的引力,加在一起使水星轨道受到一个很小的附加影响,它使得轨道产生进动,亦即近日点随着时间逐渐“前移”,在三百万年内移动一周(见图 6)。但是,除了所有已知的引力影响外,还有一个完全解释不了的附加进动——所以称为“异常进动”——根据天文学家们的观测,它仅仅是每世纪 43 弧秒。在爱因斯坦以前,这个异常进动被认为是由一颗未被发现的行星引起的。但是爱因斯坦用广义相对论产生的时空曲率,算出了这个附加的进动值,正好是每世纪 43 弧秒。近来,其它一些行星的这种近日点“异常”进动也被测量出了。在观测误差范围之内,它们的值也同样与广义相对论算出的值相吻合。
 
爱因斯坦马上算出来的第二个结果,是他在完成广义相对论之前就曾预期的一个效应。这就是光的轨迹被物质所弯曲。从狭义相对论以及它的基本原理之一——即光速对所有观测者都相同,不论他们的速度如何——可以得出一个推论,这就是能量和质量等效。这样一来,一束光的能量就对应着一定的质量,也就可以受到其它物质的引力作用。因此,在一个大质量天体的附近,例如在一颗恒星的附近,光线就会发生弯曲。以前,爱因斯坦也计算过遥远的星光在太阳附近发生的偏折角度,但当时他根据的,是某种狭义相对论和广义相对论的混合方法,其中时空仍然假设是平直的。现在他把这重新计算了一遍,但是应用了时空的曲率。他发现新的结果正好是原来结果的两倍。现在光线必须沿着弯曲时空中的测地线传播了。
 
 
入射光线掠过一个恒星边缘时会发生偏折,总的偏转角度是 2j(对于太阳来说,j的值是 1.″75,这是通过比较日全食时的恒星位置和它  
们已知的位置而得到的,最近根据与太阳大致在一条线上的类星体的观测,也得到了同样的值)。[录自 W·仑德勒《相对论精义》第 147 页。]
 
 
是英国的爱丁顿帮助验证了爱因斯坦理论的第二个预言。当爱丁顿从中立国荷兰的德西特那里第一次听到爱因斯坦在柏林的工作后,他不顾当时英国和德国已经处于交战状态,就为验证这一理论作出了自己的贡献。他是教友派的信徒,这个教派从道义上反对战争,因而他被准许免服兵役,条件是继续从事他的科学研究,特别是准备监测一次即将到来的日食。1919 年的这次日食,能够观测到星光从太阳近旁经过,因而可以测定光线是否发生了弯曲。通常情况下,太阳光的强烈照射使我们看不到星光。然而,从几内亚湾的普林西比岛回来以后——在那里可以对日食作最好的记录,除非是遇到坏天气——爱丁顿在皇家天文学会的一次聚餐会上,模仿奥玛·哈央姆的诗体,即席朗诵道:
 
噢,把我们的测量留给智者去评判吧,
 
但至少有一件事已经搞清——光是有重量的;
 
尽管其余的事还在争论,有一件事已毫无疑问——光线靠近太阳的时候,并不是直线前进!
 
在他晚年的时候,爱丁顿把这个对于广义相对 论的验证,看作是他一生中最伟大的时刻。他的这个观测,也使爱因斯坦一下子在国际上赢得了声望。
 
近些年来的对于广义相对论的验证,是对“双脉冲星”进行的研究。双脉冲星被认为是靠得非常近的一对老年星的核,它们都已坍缩得很小。叫它们脉冲星,是因为它们发射出很规则的射电波脉冲。这一对星互相围绕对方作极高速的转动,这样就必须用广义相对论来描述,而不能用牛顿力学。它们的“近星点”的进动,要比水星和其它行星大得多。时空曲率的扰动,也已经用爱因斯坦的方程计算出来,由此可以预言,会有引力辐射从这对星发出,因而它们的轨道就会越来越小。此外,遥远的“类星体”——宇宙中最亮的天体——发射出的电磁辐射,有时候会受到一种引力透镜的作用,这种作用是位于类星体和我们之间的某些星系引起的:每一个星系的引力场就像一种特殊的透镜,结果在我们地球上的望远镜看来,就产生了多重像,也就是原来的一个类星体变成为好几个。
 
总的说来,广义相对论要求从根本上更新时间和空间的概念,这个要求不是出于人为的意图,而是出于实际需要。这种更新了的时间和空间的概念,在数学上被具体化为单一的时空结构。这一时空结构决定于物质的分布,引力本身也不再明显地存在。无论如何,这是一种处理引力问题的方法。为了使读者不至于对此感到过于枯燥,我们想在此引用相对论专家威廉斯(W.Williams)教授 1924 年写的一首诗,它是模仿  
路易斯·卡洛斯《海象和木匠》的诗体而作的,诗的题目叫做“爱因斯坦和爱丁顿”,它包括下面的诗句:
 
“是时候了”,爱丁顿说道,
 
“我们有很多事情要谈及,
 
像立方体、钟表和米尺,
 
以及为什么摆锤会摆动,
 
空间在多大程度上偏离铅直,
 
还有,时间是不是具有双翅。”
 
“你说时间变扭了,
 
甚至光线也被弯曲;
 
我想给我的印象是,
 
如果它是你的原意:
 
邮递员今天送来的信件,
 
明天它就要被寄到邮局。”
 
“这最短的线”,爱因斯坦答道,
 
不再是那条直直的线,
 
它绕着自己弯来拐去,
 
好像一个‘8’字。
 
而且,如果你走得太快,
 
你将会到达得太迟。”
 
“复活节是在圣诞节期间,
 
非常遥远就是近了,
 
二加二也大于四,
 
还有,过了那里就是这里。”
 
“你也许是对的”,爱丁顿说,
 
“但是它看来的确有些稀奇。”
 
 

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小金星亮由何来

2020-10-11 21:25:23

天文科普星球科普

加速度和绝对空间_奇点天文奥秘

2020-10-11 21:25:25

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