天文科普:引力導(dǎo)致時空扭曲,空間彎曲了,時間會彎曲嗎?
來源:時空通訊
發(fā)布時間:2021-03-03
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首先要明確,時空是一體的。

這不是我說的,我寫的所有問答和文章,都不創(chuàng)造科學(xué)理論,只是傳播科學(xué)常識,就是把已經(jīng)在科學(xué)界形成共識,或主流科學(xué)界支持的理論和發(fā)現(xiàn),以通俗的語言告訴大家。包括今天說的時空理論,都是解釋科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)和理論。

物質(zhì)、時空三位一體,它們同時出現(xiàn),同時消亡,絕不會其中某一個單獨(dú)存在或者運(yùn)動。簡單地說,沒有空間,物質(zhì)就沒有存在的位置;沒有物質(zhì),空間就失去存在的意義,也就沒有任何證明空間存在的理由;沒有時間,就無法衡量物質(zhì)和空間的變化和流動,宇宙就是個死宇宙,或者說時間停止,宇宙消亡。

這個道理我過去說過多次,有興趣者可以翻看我早前的文章,今天就不多扯了。既然時空是一體的,空間彎曲,當(dāng)然時間就跟著彎曲了,否則怎么會有時間膨脹一說呢?

引力是時空彎曲的表現(xiàn)。

時空彎曲是由于物體的質(zhì)量引起的,就像將一個石頭扔進(jìn)水里,就會激起一陣漣漪或一個小漩渦。不管丟進(jìn)水里的物體多小,對水都有影響,只不過是物體太小,很難察覺觀測罷了。時空彎曲也是一樣,凡有質(zhì)量的物體,都會對時空造成擾動。

質(zhì)量對周邊時空擾動的物理學(xué)準(zhǔn)確用詞,就是時空彎曲。我們可以把時空彎曲想象成物體周邊看不見的湍流或漩渦陷阱,任何物體都有相互掉進(jìn)對方陷阱漩渦的趨勢,這種趨勢的表現(xiàn)就是物體相互之間的萬有引力。

大到一個星球,小到一個原子、粒子,都在宇宙時空中有自己的位置,對周邊都會有一定影響,因此只要有質(zhì)量的物體都存在萬有引力。萬有引力是最弱小的力,因此一些小物體很難感測出來。即便是地球上各種宏觀物體,如動物、植物、家具乃至汽車、飛機(jī)、火車,甚至一座山,其引力也很難感覺到,但能夠用精密儀器監(jiān)測出來。

早在200多年前的1789年,卡文迪許就通過其發(fā)明的扭秤實(shí)驗(yàn),測出了引力常量。引力常量G=6.67*10^-11N·m^2/kg^2,這是指兩個1kg的均勻球體質(zhì)點(diǎn),在相距1米時的相互吸引力。根據(jù)這個常量,就能夠計(jì)算出地球質(zhì)量,因此卡文迪許被人們譽(yù)為第一個精確稱出地球質(zhì)量的人。

在充滿星球的宇宙空間,萬有引力則成為最主要的力量,主導(dǎo)著天體運(yùn)行和變化。而時空彎曲則揭示了萬有引力的本質(zhì)。

空間彎曲導(dǎo)致光線彎曲,也就導(dǎo)致時間膨脹。

愛因斯坦的時空彎曲理論預(yù)言,引力會導(dǎo)致空間彎曲,因此光線在大引力場里也是彎曲的。這一點(diǎn)在他的廣義相對論問世沒多久,就被科學(xué)家愛丁頓帶領(lǐng)的遠(yuǎn)征隊(duì),到非洲觀測日全食而證實(shí),引起了世界轟動。此后,時空彎曲理論經(jīng)歷了無數(shù)次證明,迄今沒有一例反證,由此成為顛撲不破的科學(xué)真理。

光的彎曲曲率就等于時空扭曲的曲率,這樣廣義相對論就可以用數(shù)學(xué)來解釋了。根據(jù)幾何原理,直線最短,曲線肯定要長于直線,光線既然彎曲了,在傳播中所需時間就比直線要變慢了,空間曲率越大,時間就會變得越慢,這就是引力時間膨脹現(xiàn)象。

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論的場理論,質(zhì)量越大,半徑越小,所導(dǎo)致的時空曲率(引力)就越大,時間流逝就會越慢,由此得出引力時間膨脹公式為:t‘=tx√(1-2GM/rc2)。

公式中,t’為引力時間膨脹效應(yīng)值;t為低引力慣性系觀測者時間流逝值;G為引力常數(shù),取值6.67x10^-11N·m2/kg2;M為天體質(zhì)量;r為天體半徑;c為光速。根據(jù)這個公式,我們就可以計(jì)算出質(zhì)量不同的天體,在不同距離上所形成的時間膨脹效應(yīng)。

在科幻電影《星際穿越》中,宇航員庫珀駕駛的飛船靠近了1個相當(dāng)太陽質(zhì)量1億倍的黑洞,在那里過1天,等于地球上過了7年,時間膨脹了6萬多倍,就是根據(jù)這個原理和公式計(jì)算的。

這就是質(zhì)量導(dǎo)致時空彎曲,空間與時間同時彎曲,導(dǎo)致時間膨脹,時間流逝變慢的道理。


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