廣義相對(duì)論如何解釋為何物體下落？
自由下落和最大適當(dāng)時(shí)間。
物體下落，我們非常熟悉。但物體為什么下落，知道的人卻比較少。我們通常所說(shuō)“重力”，那是牛頓的經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)。
而在廣義相對(duì)論中，我們將一個(gè)下落的物體視為無(wú)受力（如空氣阻力等要忽略）物體，但是其運(yùn)動(dòng)遵循時(shí)空的“最直”路徑。在普通的空間中，最直的路徑就是，兩點(diǎn)之間線段最短。在平面上實(shí)際就是一條直線，在球形表面則是一個(gè)大圓，比如說(shuō)像赤道一樣。
圖1 平面直線與球面直線
在時(shí)空中，有物體的距離是有幾分不同的：兩點(diǎn)不是簡(jiǎn)單的空間中的點(diǎn)，而是時(shí)空中的點(diǎn)。在兩點(diǎn)（又稱事件）之間最短的路徑，現(xiàn)在是一條穿過(guò)時(shí)空的路徑，比如一條路徑能夠讓物體能夠在時(shí)空中穿梭。兩個(gè)事件之間的時(shí)空間隔的大小可以被計(jì)算出來(lái)。也就是說(shuō)在廣義相對(duì)論中，起決定作用的只有一點(diǎn)，即質(zhì)點(diǎn)以盡可能長(zhǎng)的時(shí)間沿著這種連接路徑通過(guò)，就是兩個(gè)事件之間最直的連接路徑。
圖2 時(shí)空——Wikipedia
為什么時(shí)間要盡可能的長(zhǎng)？有兩種原因：其一，根據(jù)狹義相對(duì)論，小球運(yùn)動(dòng)得越快，其時(shí)間流逝得越慢。在正常速度下，這種影響很小，假設(shè)小球以恒定的速度5m/s運(yùn)動(dòng)一秒，這種影響可以導(dǎo)致小球?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)得時(shí)間比一秒只少一點(diǎn)兒，大約少0.14飛秒。一飛秒是一秒的千萬(wàn)億分之一——這種影響極其的??！
除此之外，還有第二種影響：根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)間在高海拔（離地球很遠(yuǎn)）過(guò)得快一點(diǎn)兒。如果一秒鐘在0海拔處流逝了一秒，在5米處就多過(guò)了0.55飛秒。
這兩種影響同時(shí)確保了一個(gè)下落的小球會(huì)以增加的速度下落。除了引力時(shí)間膨脹因素，兩事件在時(shí)空的最直連接因此以恒定速度通過(guò)。因此，根據(jù)牛頓定律，未受力的物體也以恒定速度移動(dòng)。當(dāng)然，除非時(shí)空被彎曲了。如果只有這種影響（引力時(shí)間膨脹），然后對(duì)于小球來(lái)說(shuō)在第一階段（如2.5m）當(dāng)然最好是盡可能的慢，因?yàn)楦钜浑A段（5m）的時(shí)間流逝得更快。但是正因?yàn)橛袃煞N因素都影響，我們不得不兩個(gè)都考慮。因此小球應(yīng)該在第一階段慢一點(diǎn)兒，在第二階段快一點(diǎn)兒，以便從兩種因素中得到一個(gè)折中的結(jié)果。
下落小球的世界線是一條拋物線，你可能在物理課上學(xué)到過(guò)。那時(shí)候你學(xué)到一些事情，比如關(guān)于“重力”和“加速度”——事實(shí)上小球只是遵循時(shí)空最大合適時(shí)間，因?yàn)檫@是最直的線。
圖3
廣義相對(duì)論（GR，也稱作GTR）是阿爾伯特·愛因斯坦在1915年發(fā)表的幾何引力理論和現(xiàn)代物理學(xué)中對(duì)引力的當(dāng)下描述。廣義相對(duì)論概括了狹義相對(duì)論，并改進(jìn)了牛頓的宇宙引力定律，提供了一個(gè)描述，即引力作為空間和時(shí)間，或時(shí)空的幾何特性的一體性描述。特別是，時(shí)空的曲率直接與能量和動(dòng)量有關(guān)，這些能量和動(dòng)量是目前無(wú)論任何物質(zhì)和輻射的能量和動(dòng)量。該關(guān)系被愛因斯坦的場(chǎng)方程明確證明是一個(gè)部分不同方程組的系統(tǒng)。
圖4 愛因斯坦的著作
一些廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)與那些經(jīng)典物理學(xué)有明顯不同，特別是考慮到時(shí)間的航程、空間的幾何特性、自由下落過(guò)程中物體的移動(dòng)，以及光的傳播等因素。這些不同的例子包括引力時(shí)間膨脹（延緩）、引力透鏡效應(yīng)、光的引力紅移，和引力時(shí)間延遲效應(yīng)。到目前為止，廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)相比于經(jīng)典物理學(xué)的不同之處已經(jīng)在所有觀察和實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)。盡管廣義相對(duì)論并不是唯一的引力相關(guān)理論，但是它卻是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的最簡(jiǎn)單的理論。然而，仍然存在未解之謎，比如量子物理學(xué)定律如何適應(yīng)最基本的廣義相對(duì)論因而產(chǎn)生一個(gè)完整的自相關(guān)量子引力理論。
圖5 黑洞
愛因斯坦的理論暗示重要的天體物理學(xué)。例如，其暗示了黑洞的存在——以這樣一種方式，即任何物質(zhì)、甚至光都不能逃脫的時(shí)空扭曲的區(qū)域——即大質(zhì)量行星的最終形態(tài)。我們有充足的證據(jù)證明某些種類的天體散發(fā)出的巨大的輻射能源于黑洞。例如，由于恒星黑洞和超級(jí)黑洞的存在分別產(chǎn)生微類星體和活躍星系核。引力造成的光線的彎曲能夠?qū)е乱ε蛎浀默F(xiàn)象，即相同距離的天體在夜空中可以看見數(shù)量眾多的圖像。廣義相對(duì)論也預(yù)測(cè)了引力波的存在，引力波已經(jīng)被物理合作LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）直接觀測(cè)到。
圖6 LIGO天文臺(tái)
除此之外，廣義相對(duì)論是一直膨脹的宇宙現(xiàn)代宇宙哲學(xué)的模型的基礎(chǔ)。作為一個(gè)卓越的典范理論被廣泛認(rèn)知，廣義相對(duì)論經(jīng)常被評(píng)論為現(xiàn)行的物理學(xué)理論中最出色的一個(gè)。
作者: Toni Sementana
