何为“时空”?我们该如何通俗易懂地理解广义相对论?

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首先说明一点,通俗的语言往往意味着不太严谨,但对于普通的科普来讲,已经足够用了,因为我们不是专业的科学家,不需要太深入的研究理解。而严谨的解释往往意味着晦涩的语言,还有普通人很难理解的数学公式。

何为“时空”?我们该如何通俗易懂地理解广义相对论?-第1张图片-趣闻屋

这里尽量避免各种数学公式,用通俗的语言诠释科学。简单来讲,爱因斯坦的广义相对论可以这样诠释:引力其实就是时空的几何效应。

该如何理解上面这句话呢?需要弄明白两个概念:时空和几何

首先来说时空。字面上理解,时空就是时间和空间的集合体,这样说没毛病,但并不太严谨。

时空确实指的是时间和空间,但更严谨来讲,时空其实是一个东西,因为时间和空间是不可分割的整体,这种观念最初由闵可夫斯基提出来的。

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当我们说“时间和空间”时,其实已经不太严谨了,但为了说明某些问题又不得不这样说。因为任何把时间和空间分开讨论的行为其实是没有什么意义的,讨论时间必须带上空间,反之亦然,讨论空间必须带上时间。

时间和空间的这种一体性在我们生活中也司空见惯。比如说你约朋友见面,必须把时间和地点(空间)同时告知你朋友,缺少任何一个都没有意义。你约朋友下午4点见面,但在哪里呢?

从科学上来讲,时间空间的一体性主要体现在光速不变原理,因为光速是绝对的,在任何情况下都是不变的(真空环境),这意味着时间和空间必须发生改变来迎合光速的绝对不变,这也说明光速是时空的内在秉性,固有属性。

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这就引申出了时间膨胀效应(钟慢效应)和尺缩效应。速度越快,时间就越慢,空间距离就会越短,这都是为了迎合光速那霸道的绝对性。

光的绝对性其实就是这样的:即使你以99%光速飞行,我静止在地面不动,我们看到的光(任何光)的速度都是一样的,都是光速。

说白了,在四维时空中,时间距离与空间距离其实是等效的,两者之间就靠光速来量化。

再来说说几何。

几何,其实就是形状,而爱因斯坦广义相对论的核心思想就是把引力诠释了时空的几何形状,说白了,引力其实就是时空弯曲,而引力只是一种表象。

用两个动图来诠释:

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上面的动图中,每个点都代表一个小时钟,来度量时间,可以看出每个时钟的快慢是不一样的,最靠近中心点的时钟走得更慢,引力那里的引力更大。

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当物体运动起来之后,几何形状就更加明显了。所谓的引力其实就是时空弯曲造成的。时空弯曲的方向指向运动物体的质心,并不是网上很多示意图描述的“向下”,像蹦床那样向下凹陷的示意图,更多的是让我们更容易理解,其实是不严谨的,而宇宙太空中也不存在上下的概念。

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由于引力越大,时间就越慢,所以严格来讲,地球核心区域的时间就比地球表面要慢,但慢得非常有限(毕竟地球质量还是太小了),从地球诞生开始算起到今天的45亿年时间,地球核心时间大约比地球表面时间慢了2.5小时左右,完全可以忽略不计。

总结一句话就是:时空告诉质量如何运动,质量告诉时空如何弯曲!

标签: 宇宙探索

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