物质、时间、空间三位一体,引力导致时空扭曲

在科幻电影《星际穿越》中,宇航员库珀驾驶的飞船靠近了1个相当太阳质量1亿倍的黑洞,在那里过1天,等于地球上过了7年,时间膨胀了6万多倍,就是根据这个原理和公式计算的。

  • 首先要明确,时空是一体的。

这不是我说的,我写的所有问答和文章,都不创造科学理论,只是传播科学常识,就是把已经在科学界形成共识,或主流科学界支持的理论和发现,以通俗的语言告诉大家。包括今天说的时空理论,都是解释科学家们的发现和理论。

物质、时空三位一体,它们同时出现,同时消亡,绝不会其中某一个单独存在或者运动。简单地说,没有空间,物质就没有存在的位置;没有物质,空间就失去存在的意义,也就没有任何证明空间存在的理由;没有时间,就无法衡量物质和空间的变化和流动,宇宙就是个死宇宙,或者说时间停止,宇宙消亡。

这个道理我过去说过多次,有兴趣者可以翻看我早前的文章,今天就不多扯了。既然时空是一体的,空间弯曲,当然时间就跟着弯曲了,否则怎么会有时间膨胀一说呢?

  • 引力是时空弯曲的表现。

时空弯曲是由于物体的质量引起的,就像将一个石头扔进水里,就会激起一阵涟漪或一个小漩涡。不管丢进水里的物体多小,对水都有影响,只不过是物体太小,很难察觉观测罢了。时空弯曲也是一样,凡有质量的物体,都会对时空造成扰动。

质量对周边时空扰动的物理学准确用词,就是时空弯曲。我们可以把时空弯曲想象成物体周边看不见的湍流或漩涡陷阱,任何物体都有相互掉进对方陷阱漩涡的趋势,这种趋势的表现就是物体相互之间的万有引力。

大到一个星球,小到一个原子、粒子,都在宇宙时空中有自己的位置,对周边都会有一定影响,因此只要有质量的物体都存在万有引力。万有引力是最弱小的力,因此一些小物体很难感测出来。即便是地球上各种宏观物体,如动物、植物、家具乃至汽车、飞机、火车,甚至一座山,其引力也很难感觉到,但能够用精密仪器监测出来。

早在200多年前的1789年,卡文迪许就通过其发明的扭秤实验,测出了引力常量。引力常量G=6.67*10^-11N·m^2/kg^2,这是指两个1kg的均匀球体质点,在相距1米时的相互吸引力。根据这个常量,就能够计算出地球质量,因此卡文迪许被人们誉为第一个精确称出地球质量的人。

在充满星球的宇宙空间,万有引力则成为最主要的力量,主导着天体运行和变化。而时空弯曲则揭示了万有引力的本质。

  • 空间弯曲导致光线弯曲,也就导致时间膨胀。

爱因斯坦的时空弯曲理论预言,引力会导致空间弯曲,因此光线在大引力场里也是弯曲的。这一点在他的广义相对论问世没多久,就被科学家爱丁顿带领的远征队,到非洲观测日全食而证实,引起了世界轰动。此后,时空弯曲理论经历了无数次证明,迄今没有一例反证,由此成为颠扑不破的科学真理。

光的弯曲曲率就等于时空扭曲的曲率,这样广义相对论就可以用数学来解释了。根据几何原理,直线最短,曲线肯定要长于直线,光线既然弯曲了,在传播中所需时间就比直线要变慢了,空间曲率越大,时间就会变得越慢,这就是引力时间膨胀现象。

根据爱因斯坦广义相对论的场理论,质量越大,半径越小,所导致的时空曲率(引力)就越大,时间流逝就会越慢,由此得出引力时间膨胀公式为:t‘=tx√(1-2GM/rc?)。

公式中,t’为引力时间膨胀效应值;t为低引力惯性系观测者时间流逝值;G为引力常数,取值6.67×10^-11N·m?/kg?;M为天体质量;r为天体半径;c为光速。根据这个公式,我们就可以计算出质量不同的天体,在不同距离上所形成的时间膨胀效应。

在科幻电影《星际穿越》中,宇航员库珀驾驶的飞船靠近了1个相当太阳质量1亿倍的黑洞,在那里过1天,等于地球上过了7年,时间膨胀了6万多倍,就是根据这个原理和公式计算的。

这就是质量导致时空弯曲,空间与时间同时弯曲,导致时间膨胀,时间流逝变慢的道理。

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