经过前面的狭义相对论我们认识到了什么是时空,时空不难理解,我们可以把它看做是一个局部空间再加上时间这个纬度,每一片空间所流逝的时间并不一样,时间流逝因速度改变,然而广义相对论中竟然发现时空是弯曲的!
引力场致使时空弯曲
上一章中提出了著名的试验——爱因斯坦电梯,虽然这只是一个“意念”中的实验,但还是能解释很多疑问,就好像试验——薛定谔的猫一样,虽然没实践但能较好的阐述了量子力学的不确定性。
——————(爱因斯坦电梯)—————
如上图,左边的电梯没有收到引力的干扰,但匀加速上升做运动,加速度等于地球表面重力加速度g,而右边的电梯置于地球表面,同样是重力加速度g。往电梯里射进一束光(如上图所示),那么根据上一章提的等效原理,左边的电梯里面光的传播轨迹是弯曲的,跟地球表面电梯的光的轨迹一样。
为什么为这样呢?第四章说提到了“光子”的静止质量为0,但是它的运动质量可不是0,由于运动的惯性质量等于引力质量,那么光子应该也要受到引力的作用,致使光的传播轨道发生了弯曲。
从另外一个角度讲,光在这片空间还是沿着直线传播,但是由于引力场作用让这片空间弯曲了,空间弯曲了光线自然跟随弯曲了,爱因斯坦把这种弯曲看做是一种时空的弯曲。
引力场中的时间缓慢与空间收缩
我们在第六章说明了惯性力场与引力场是等效关系,那么引力场是如导致时间缓慢和空间收缩呢?接下来我们在看一个“想象”中的实验 ——爱因斯坦转盘
—————(爱因斯坦转盘)—————
如上图所示,首先这个转盘远离引力场,未受引力的干扰。转盘在以圆心O做匀速转动,线速度v,有两个人A和B,A坐在圆心O处,B坐在坐在转盘边缘P处。显然转盘转动起来的坐标系属于非惯性系。
时间的缓慢 : 我们知道物体在惯性系的时间流逝跟运动速度有关(详情请看第三章),A和B各带一个精准时钟,随着转盘的转动,A会发现B的时间过得比他缓慢。因为A在圆心没有速度,而B有线速度v。
长度的收缩 : 假设A和B各拿着精准的尺子,B跟随着转盘的转动。根据洛伦兹推导的尺缩效应 和公式L= L₀√(1 - v²/c²)(该公式是由四维时空转二维坐标计算出来,L为运动长度,L₀为静止长度),狭义相对论中说明,运动方向上会发生长度的收缩,而垂直于运动方向的长度不会收缩,则说明A和B的距离不发生变化 ,也就是r不变。那么在A看来会发现B的尺子缩短了,导致B量的转盘周长变长了,π>π₀。
然而等效原理告诉我们惯性力场等于引力场。那么根据上面的“思维”实验得出结果,是不是引力场同样也能影响着时间缓慢和空间长短。在爱因斯坦看来是时空的弯曲,那么地球质量大运动速度快,再加上引力,是不是说明地球周围的时空也跟随者弯曲。
下一章时空弯曲的实验证明
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