大众广义相对论
用实例浅说广义相对论
很多人以為,要弄懂廣義相對論,必須懂得很多高深數學和物理,例如微分幾何,張
量分析等嚇人的科目。其實,只要用心思考,一般人也可以領會其基本意義。下面,我試
圖用例子來簡述廣義相對論的基本意義。
大家都知道,人坐在太空船,在遠離地球的宇宙空間航行,會產生失重現象。現在設
想有一架十分大型的太空船,裡面有一間四十平方米的房間,其中有三米高的天花板,
地板,桌子,椅子,大床,總之,一切設置如地球上的房間。宇航員就住在這樣的房間
裡。當時這個太空船正沿著從地板指向天花板的方向,以9.8米/秒*秒的恒定加速度前進
(9.8米/秒*秒 是地球表面重力加速度數值,是最常用的物理常數)。儘管當時太空船
遠離地球,遠離任何引力場,宇航員的感覺和生活與地球家裡的感覺和生活完全一模一
樣,沒有一點失重的感覺存在。為什麼?因為人們生活在地球上,根據牛頓萬有引力定
律,總是受到(質量X9.8米/秒*秒)重力的吸引,而這艘太空船雖然遠離引力場,但有
9.8米/秒*秒的加速度作用於地板(沿著從地板指向天花板的方向),這就相當於人站在
地球上。這就是愛恩斯坦廣義相對論的“等效原理”(equivalence principle)!
假設有一位工藝十分精湛的技師,來到一個質量等於地球十倍,半徑和地球差不多的
行星上。這位技師用該行星大量出產的大塊金剛石,運用最精密的光學儀器,和最先進的
切削和打磨工具,造成一塊他認為最平滑的金剛石檯面,然後把這檯面運回地球。地球人
會發現這塊在外行星看來是絕對平滑的檯面,來到地球後,成了彎曲的!為什麼?因為這
個行星表面引力場比地球表面的引力場強大得多。而人們看東西是沿著光線去看的。光線
受引力場作用變成彎曲,雖然光線是曲的,但人感覺是直的。當回到地球後,金剛石檯面
的外形和物理性質並無改變,而光線在地球表面沒有在外行星那麼彎曲,所以在地球上,
這檯面看起來和實際上用工具測量,是彎曲的。 這就是愛恩斯坦廣義相對論的「引力場
使時空彎曲」的原理,及光線在強引力場下彎曲的原理。
設想某種外力或內力把太陽這個龐然大物,壓縮成直徑只有幾公里的球體。這個球體
表面的引力場極其強大,強大到它內部及表面附近的任何光線和射線都不能夠逃離。為甚
麼?由於萬有引力的存在,任何物體要脫離星球必須達到一定的逃逸速度。例如地球上的
任何物體要離開地球進入宇宙空間,就必須達到11.2公里/秒的速度。因為黑洞的引力場極之強大,經計算,其逃逸速度超過光速(三十萬公里/秒),因此,任何光線和射線都
不能夠逃離。人们在远处不能看见或用仪器直接观察测量黑洞,只能从黑洞对周围天体的作用去发现它。在黑洞邻近的任何物体,无论大小,甚至大如星球这样的庞然大物,也将掉进黑洞这个万劫不复的深渊。這就是愛恩斯坦廣義相對論預言的「黑洞」,現在已經被天文學的發現完全证实!
很多人以為,要弄懂廣義相對論,必須懂得很多高深數學和物理,例如微分幾何,張
量分析等嚇人的科目。其實,只要用心思考,一般人也可以領會其基本意義。下面,我試
圖用例子來簡述廣義相對論的基本意義。
大家都知道,人坐在太空船,在遠離地球的宇宙空間航行,會產生失重現象。現在設
想有一架十分大型的太空船,裡面有一間四十平方米的房間,其中有三米高的天花板,
地板,桌子,椅子,大床,總之,一切設置如地球上的房間。宇航員就住在這樣的房間
裡。當時這個太空船正沿著從地板指向天花板的方向,以9.8米/秒*秒的恒定加速度前進
(9.8米/秒*秒 是地球表面重力加速度數值,是最常用的物理常數)。儘管當時太空船
遠離地球,遠離任何引力場,宇航員的感覺和生活與地球家裡的感覺和生活完全一模一
樣,沒有一點失重的感覺存在。為什麼?因為人們生活在地球上,根據牛頓萬有引力定
律,總是受到(質量X9.8米/秒*秒)重力的吸引,而這艘太空船雖然遠離引力場,但有
9.8米/秒*秒的加速度作用於地板(沿著從地板指向天花板的方向),這就相當於人站在
地球上。這就是愛恩斯坦廣義相對論的“等效原理”(equivalence principle)!
假設有一位工藝十分精湛的技師,來到一個質量等於地球十倍,半徑和地球差不多的
行星上。這位技師用該行星大量出產的大塊金剛石,運用最精密的光學儀器,和最先進的
切削和打磨工具,造成一塊他認為最平滑的金剛石檯面,然後把這檯面運回地球。地球人
會發現這塊在外行星看來是絕對平滑的檯面,來到地球後,成了彎曲的!為什麼?因為這
個行星表面引力場比地球表面的引力場強大得多。而人們看東西是沿著光線去看的。光線
受引力場作用變成彎曲,雖然光線是曲的,但人感覺是直的。當回到地球後,金剛石檯面
的外形和物理性質並無改變,而光線在地球表面沒有在外行星那麼彎曲,所以在地球上,
這檯面看起來和實際上用工具測量,是彎曲的。 這就是愛恩斯坦廣義相對論的「引力場
使時空彎曲」的原理,及光線在強引力場下彎曲的原理。
設想某種外力或內力把太陽這個龐然大物,壓縮成直徑只有幾公里的球體。這個球體
表面的引力場極其強大,強大到它內部及表面附近的任何光線和射線都不能夠逃離。為甚
麼?由於萬有引力的存在,任何物體要脫離星球必須達到一定的逃逸速度。例如地球上的
任何物體要離開地球進入宇宙空間,就必須達到11.2公里/秒的速度。因為黑洞的引力場極之強大,經計算,其逃逸速度超過光速(三十萬公里/秒),因此,任何光線和射線都
不能夠逃離。人们在远处不能看见或用仪器直接观察测量黑洞,只能从黑洞对周围天体的作用去发现它。在黑洞邻近的任何物体,无论大小,甚至大如星球这样的庞然大物,也将掉进黑洞这个万劫不复的深渊。這就是愛恩斯坦廣義相對論預言的「黑洞」,現在已經被天文學的發現完全证实!