首先要明確,時(shí)空是一體的。
這不是我說(shuō)的,我寫(xiě)的所有問(wèn)答和文章,都不創(chuàng)造科學(xué)理論,只是傳播科學(xué)常識(shí),就是把已經(jīng)在科學(xué)界形成共識(shí),或主流科學(xué)界支持的理論和發(fā)現(xiàn),以通俗的語(yǔ)言告訴大家。包括今天說(shuō)的時(shí)空理論,都是解釋科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)和理論。
物質(zhì)、時(shí)空三位一體,它們同時(shí)出現(xiàn),同時(shí)消亡,絕不會(huì)其中某一個(gè)單獨(dú)存在或者運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō),沒(méi)有空間,物質(zhì)就沒(méi)有存在的位置;沒(méi)有物質(zhì),空間就失去存在的意義,也就沒(méi)有任何證明空間存在的理由;沒(méi)有時(shí)間,就無(wú)法衡量物質(zhì)和空間的變化和流動(dòng),宇宙就是個(gè)死宇宙,或者說(shuō)時(shí)間停止,宇宙消亡。
這個(gè)道理我過(guò)去說(shuō)過(guò)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(shí)空是一體的,空間彎曲,當(dāng)然時(shí)間就跟著彎曲了,否則怎么會(huì)有時(shí)間膨脹一說(shuō)呢?
引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。
時(shí)空彎曲是由于物體的質(zhì)量引起的,就像將一個(gè)石頭扔進(jìn)水里,就會(huì)激起一陣漣漪或一個(gè)小漩渦。不管丟進(jìn)水里的物體多小,對(duì)水都有影響,只不過(guò)是物體太小,很難察覺(jué)觀測(cè)罷了。時(shí)空彎曲也是一樣,凡有質(zhì)量的物體,都會(huì)對(duì)時(shí)空造成擾動(dòng)。
質(zhì)量對(duì)周邊時(shí)空擾動(dòng)的物理學(xué)準(zhǔn)確用詞,就是時(shí)空彎曲。我們可以把時(shí)空彎曲想象成物體周邊看不見(jiàn)的湍流或漩渦陷阱,任何物體都有相互掉進(jìn)對(duì)方陷阱漩渦的趨勢(shì),這種趨勢(shì)的表現(xiàn)就是物體相互之間的萬(wàn)有引力。
大到一個(gè)星球,小到一個(gè)原子、粒子,都在宇宙時(shí)空中有自己的位置,對(duì)周邊都會(huì)有一定影響,因此只要有質(zhì)量的物體都存在萬(wàn)有引力。萬(wàn)有引力是最弱小的力,因此一些小物體很難感測(cè)出來(lái)。即便是地球上各種宏觀物體,如動(dòng)物、植物、家具乃至汽車(chē)、飛機(jī)、火車(chē),甚至一座山,其引力也很難感覺(jué)到,但能夠用精密儀器監(jiān)測(cè)出來(lái)。
早在200多年前的1789年,卡文迪許就通過(guò)其發(fā)明的扭秤實(shí)驗(yàn),測(cè)出了引力常量。引力常量G=6.67*10^-11N·m^2/kg^2,這是指兩個(gè)1kg的均勻球體質(zhì)點(diǎn),在相距1米時(shí)的相互吸引力。根據(jù)這個(gè)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(gè)精確稱出地球質(zhì)量的人。
在充滿星球的宇宙空間,萬(wàn)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(shí)空彎曲則揭示了萬(wàn)有引力的本質(zhì)。
空間彎曲導(dǎo)致光線彎曲,也就導(dǎo)致時(shí)間膨脹。
愛(ài)因斯坦的時(shí)空彎曲理論預(yù)言,引力會(huì)導(dǎo)致空間彎曲,因此光線在大引力場(chǎng)里也是彎曲的。這一點(diǎn)在他的廣義相對(duì)論問(wèn)世沒(méi)多久,就被科學(xué)家愛(ài)丁頓帶領(lǐng)的遠(yuǎn)征隊(duì),到非洲觀測(cè)日全食而證實(shí),引起了世界轟動(dòng)。此后,時(shí)空彎曲理論經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次證明,迄今沒(méi)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(shí)空扭曲的曲率,這樣廣義相對(duì)論就可以用數(shù)學(xué)來(lái)解釋了。根據(jù)幾何原理,直線最短,曲線肯定要長(zhǎng)于直線,光線既然彎曲了,在傳播中所需時(shí)間就比直線要變慢了,空間曲率越大,時(shí)間就會(huì)變得越慢,這就是引力時(shí)間膨脹現(xiàn)象。
根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的場(chǎng)理論,質(zhì)量越大,半徑越小,所導(dǎo)致的時(shí)空曲率(引力)就越大,時(shí)間流逝就會(huì)越慢,由此得出引力時(shí)間膨脹公式為:t‘=tx√(1-2GM/rc2)。
公式中,t’為引力時(shí)間膨脹效應(yīng)值;t為低引力慣性系觀測(cè)者時(shí)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(gè)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(shí)間膨脹效應(yīng)。
在科幻電影《星際穿越》中,宇航員庫(kù)珀駕駛的飛船靠近了1個(gè)相當(dāng)太陽(yáng)質(zhì)量1億倍的黑洞,在那里過(guò)1天,等于地球上過(guò)了7年,時(shí)間膨脹了6萬(wàn)多倍,就是根據(jù)這個(gè)原理和公式計(jì)算的。
這就是質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲,空間與時(shí)間同時(shí)彎曲,導(dǎo)致時(shí)間膨脹,時(shí)間流逝變慢的道理。
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