首先要明確,時空是一體(ti) 的。
這不是我說的,我寫(xie) 的所有問答和文章,都不創造科學理論,隻是傳(chuan) 播科學常識,就是把已經在科學界形成共識,或主流科學界支持的理論和發現,以通俗的語言告訴大家。包括今天說的時空理論,都是解釋科學家們(men) 的發現和理論。
物質、時空三位一體(ti) ,它們(men) 同時出現,同時消亡,絕不會(hui) 其中某一個(ge) 單獨存在或者運動。簡單地說,沒有空間,物質就沒有存在的位置;沒有物質,空間就失去存在的意義(yi) ,也就沒有任何證明空間存在的理由;沒有時間,就無法衡量物質和空間的變化和流動,宇宙就是個(ge) 死宇宙,或者說時間停止,宇宙消亡。
這個(ge) 道理我過去說過多次,有興(xing) 趣者可以翻看我早前的文章,今天就不多扯了。既然時空是一體(ti) 的,空間彎曲,當然時間就跟著彎曲了,否則怎麽(me) 會(hui) 有時間膨脹一說呢?
引力是時空彎曲的表現。
時空彎曲是由於(yu) 物體(ti) 的質量引起的,就像將一個(ge) 石頭扔進水裏,就會(hui) 激起一陣漣漪或一個(ge) 小漩渦。不管丟(diu) 進水裏的物體(ti) 多小,對水都有影響,隻不過是物體(ti) 太小,很難察覺觀測罷了。時空彎曲也是一樣,凡有質量的物體(ti) ,都會(hui) 對時空造成擾動。
質量對周邊時空擾動的物理學準確用詞,就是時空彎曲。我們(men) 可以把時空彎曲想象成物體(ti) 周邊看不見的湍流或漩渦陷阱,任何物體(ti) 都有相互掉進對方陷阱漩渦的趨勢,這種趨勢的表現就是物體(ti) 相互之間的萬(wan) 有引力。
大到一個(ge) 星球,小到一個(ge) 原子、粒子,都在宇宙時空中有自己的位置,對周邊都會(hui) 有一定影響,因此隻要有質量的物體(ti) 都存在萬(wan) 有引力。萬(wan) 有引力是最弱小的力,因此一些小物體(ti) 很難感測出來。即便是地球上各種宏觀物體(ti) ,如動物、植物、家具乃至汽車、飛機、火車,甚至一座山,其引力也很難感覺到,但能夠用精密儀(yi) 器監測出來。
早在200多年前的1789年,卡文迪許就通過其發明的扭秤實驗,測出了引力常量。引力常量G=6.67*10^-11N·m^2/kg^2,這是指兩(liang) 個(ge) 1kg的均勻球體(ti) 質點,在相距1米時的相互吸引力。根據這個(ge) 常量,就能夠計算出地球質量,因此卡文迪許被人們(men) 譽為(wei) 第一個(ge) 精確稱出地球質量的人。
在充滿星球的宇宙空間,萬(wan) 有引力則成為(wei) 最主要的力量,主導著天體(ti) 運行和變化。而時空彎曲則揭示了萬(wan) 有引力的本質。
空間彎曲導致光線彎曲,也就導致時間膨脹。
愛因斯坦的時空彎曲理論預言,引力會(hui) 導致空間彎曲,因此光線在大引力場裏也是彎曲的。這一點在他的廣義(yi) 相對論問世沒多久,就被科學家愛丁頓帶領的遠征隊,到非洲觀測日全食而證實,引起了世界轟動。此後,時空彎曲理論經曆了無數次證明,迄今沒有一例反證,由此成為(wei) 顛撲不破的科學真理。
光的彎曲曲率就等於(yu) 時空扭曲的曲率,這樣廣義(yi) 相對論就可以用數學來解釋了。根據幾何原理,直線最短,曲線肯定要長於(yu) 直線,光線既然彎曲了,在傳(chuan) 播中所需時間就比直線要變慢了,空間曲率越大,時間就會(hui) 變得越慢,這就是引力時間膨脹現象。
根據愛因斯坦廣義(yi) 相對論的場理論,質量越大,半徑越小,所導致的時空曲率(引力)就越大,時間流逝就會(hui) 越慢,由此得出引力時間膨脹公式為(wei) :t‘=tx√(1-2GM/rc²)。
公式中,t’為(wei) 引力時間膨脹效應值;t為(wei) 低引力慣性係觀測者時間流逝值;G為(wei) 引力常數,取值6.67x10^-11N·m²/kg²;M為(wei) 天體(ti) 質量;r為(wei) 天體(ti) 半徑;c為(wei) 光速。根據這個(ge) 公式,我們(men) 就可以計算出質量不同的天體(ti) ,在不同距離上所形成的時間膨脹效應。
在科幻電影《星際穿越》中,宇航員庫珀駕駛的飛船靠近了1個(ge) 相當太陽質量1億(yi) 倍的黑洞,在那裏過1天,等於(yu) 地球上過了7年,時間膨脹了6萬(wan) 多倍,就是根據這個(ge) 原理和公式計算的。
這就是質量導致時空彎曲,空間與(yu) 時間同時彎曲,導致時間膨脹,時間流逝變慢的道理。
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