空间会弯曲,并不是爱因斯坦想出来的,是爱因斯坦计算出来的,也可以说是广义相对论的合理推论,之所以要相信他,是因为观测到了空间弯曲产生的效应。
空间是一种容纳万物的容器,里面什么都没有,纯粹是虚无。而且光可以在空间中任意传播而不受到影响,这就是我们通常理解的空间,对于一般的人来说空间是透明的。
当然在地球上面空间里面充满了大气,按照冯卡门线,地球大气层和宇宙空间的界面,在距离地表100公里的地方。
所以阳光照射到我们,我们看到的阳光是经过大气层吸收折射以后的,所以只有真空能够算得上是纯空间。
阳光经过大气层吸收以后,大气层会散射阳光中的蓝光、绿光,所以天空是蔚蓝色的,但是出了大气层以后真空就是绝对黑色的,因为它不散射光线。
所以这样的一种看不见也摸不着的东西,我们怎么能够说它弯曲或者是平直呢?
我们说天空是蓝的,真空是黑的,都是因为我们对光线的观测和测量。
所以我们承认爱因斯坦的观点~空间是可弯的,也离不开对光线的观测和测量,因为光是万物一切的极限,人类是被光锁定的。
在爱因斯坦发展出广义相对论之前,空间是弯曲的还是平直的,只存在于纯粹的数学概念里面。
平直空间又被称为欧几里得空间,平直空间里面存在着永远不相交的平行线。
后来黎曼等数学家发展出了非欧几里得空间,在这些空间中没有平行线。
如果从数学上讲,两者都是存在的,因为平行线公理没有办法被证明,所以它只能是世界存在的前提。
但是,对应于我们物理世界就会出现问题。
在地球上我们可以打上网格,形成经纬度 ,所以一个具体存在的球面可以网格化。但是空间没有办法打上网格,要知道它是弯曲的还是直的,就是观测某种运动的效应。
这和广义相对论的推导过程有关,爱因斯坦推导出广义相对论,依赖于一个物理上的基本原理,叫做等效原理。
所谓的等效原理是说引力场的局部等价于做加速运动的惯性系。地球围绕着太阳运行的圆周运动,就是一种加速运动,只是加速度的分量在任何时候都垂直于法向速度。
光不仅是速度的极限,也是万物存在的底层物质。
组成我们身体的各种原子、分子之所以不散架,就是因为有电磁力的作用,而电磁力的传播粒子就是光子。
所以,人类认知的物理世界,不能违背人类自身存在的基础。
我们对空间的认识,也依赖于光线在空间中的传播方式。如果光线在空间中的传播是以弯曲方式进行的,那么空间就是弯的。
所以空间之所以会弯曲,是人类对空间的光学测量。
我们知道在平直坐标系中两点之间的距离S,等于X平方加上Y平方的1/2次方。
如果在非平直坐标系中距离就不能这么算,必须加上一个系数。
当然在平直坐标系中这个系数是隐含的,因为我们一般不提到它,实际上这个系数就是一。
除此以外,在平直坐标系中三角形的内角和是180度。但是在弯曲的空间中内角和要么大于180度,比如说在地球球面上;要么小于180度,比如说在球的内球面。
按照广义相对论的推论,光线在空中飞行的时候会弯曲。
要检验空间是否真的会弯曲,就要验证光在真空中飞行是否会弯曲。
当月亮遮挡住太阳的时候,就会出现日食,这个时候隐藏在太阳背后星光发出来的光线,经过太阳引力场的时候,就会出现一个偏执的角度,原来我们看不到的星星就会被看到。
这个实验测量出来的光线在引力场中的偏折角度和广义相对论计算
遥远的星系因为有庞大的质量,产生的引力能够让背后的一些星系图像弯成环形,这些环就被称为爱因斯坦环。
所以,对于人类来说空间弯曲是真实存在的。
广义相对论是在狭义相对论正确的前提下推导出来的,所以空间的弯曲速度也必须服从光速限制。
假如太阳突然消失了,那么地球仍然会在原来的轨道上绕着那个消失的地方运行8分钟,然后才会成直线飞走。
空间弯曲在宇宙中的传播速度是光速,所以会像波浪那样扩散,这就是所谓的引力波。
在引力波扩散的地方会对空间产生扰动,这种扰动会让光产生极其微小的偏差,如果能够记录这种偏差,就能测量引力波和引力的传播速度。
测量引力波的装置叫做激光干涉引力波天文台。它是两个相互垂直的,抽成真空的长管道,有激光在里面通过镜面反射,只要空间稍微产生一丁点的弯曲,激光反射以后的路径就会改变,这时候我们就能测到空间的波动。
但是引力是一种非常弱的力,所以引力波也非常的弱,探测的精度需要达到一个质子直径的1/1000。
万物都可以产生引力,所以干扰也很多,在美国华盛顿和新泽西各有一台引力波天文台,要同时检测到引力波才能够确定一起引力波事件。
宇宙中发生的黑洞合并事件就会向空间释放出能量巨大的引力波,这些引力波扩散到地球上,会被引力波天文台所记录,我们就知道黑洞进行了合并。
13亿光年外的两个大黑洞合并以后释放出了高达三个太阳质量的引力波,经过了13亿年的旅行,在2015年9月14日扫过地球,被引力波天文台探测到。
这是人类第1次测量到引力波事件。
随后由于探测的精度越来越高,引力波天文台又发现了很多的引力波事件,所以空间会弯曲产生引力波,是板上钉钉的事实。
正因为空间是可以弯曲的,所以科学家们想象存在一种特殊的装置可以给飞船驱动,这就是曲率飞行。
曲率飞行实际上就是在飞船前进的方向制造一个空间弯曲,这个空间弯曲就相当于一个坑一样,飞船就自动往那个坑里掉,飞船一边往坑里掉,然后一边制造这个坑,飞船就往前前进了。
这也相当于我们骑自行车,如果不用脚踏,可以用一个锄头在前轮前面挖坑,然后自行车就会朝前进,前进的速度取决于挖坑的速度。
正因为空间的弯曲速度是光速,所以即使飞船采用曲率航行也无法超光速。
至于为什么质量会让空间产生弯曲,并且产生引力效应,没人知道。物理学只回答是什么,不回答为什么。
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