大众广义相对论 (补充修改版)
很多人以为,要弄懂广义相对论,必须懂得很多高深数学和物理, 例如微分几何,
张量分析等赫人的科目。其实,只要用心思考, 一般人也可以领会其基本意义.下面, 我试图用例子来简述广义相对论的基本意义。
大家都知道,人坐在宇宙飞船,在远离地球的宇宙空间航行, 会产生失重现象。
现在设想有一架十分大型的宇宙飞船, 里面有一间四十平方米的房间,其中有三米
高的天花板,地板,桌子,椅子,大床,总之, 一切设置如地球上的房间。宇航员)
就住在这样的房间里。 当时这个宇宙飞船正沿着从地板指向天花板的方向,以9.8米
/秒*秒的恒定加速度前进。尽管当时宇宙飞船远离地球, 远离任何引力场,宇航员
的感觉和生活与地球家里的感觉和生活完全一模一样, 没有一点失重的感觉存在。
为什么?因为人们生活在地球上,根据牛顿万有引力定律, 总是受到(质量X9.8米/秒
*秒)重力的吸引,而这艘宇宙飞船虽然远离引力场,但有9.8米/ 秒*秒的加速度作用于
地板(沿着从地板指向天花板的方向),这就相当于人站在地球上。 这就是爱恩斯坦
广义相对论的“等效原理”(equivalence principle)!
假设有一位工艺十分精湛的技师,来到一个质量等于地球十倍, 半径和地球差不
多的行星上。这位技师用该行星大量出产的大块金刚石, 运用最精密的光学仪器,和
最先进的切削和打磨工具,造成一块他认为最平滑的 金刚石抬面,然后把这台面运
回地球。地球人会发现这块在外行星看来是绝对平滑的台面, 来到地球后,成了弯
曲的!为什么? 因为这个行星表面引力场比地球表面的引力场强大得多。而人们看
东西是沿着光线去看的。光线受引力场作用变成弯曲. 虽然光线是曲的,但人感觉是直的。当回到地球后,金刚石
台面的外形和物理性质并无改变, 而光线在地球表面没有在外行星那么弯曲,所以在地球上,
这台面看起来是弯曲的。 这就是爱恩斯坦广义相对论的“引力场使时空弯曲”的原
理,及光线在强引力场下弯曲的原理。
设想某种外力或内力把太阳这个庞然大物, 压缩成直径只有几公里的球体。这个
设想某种外力或内力把太阳这个庞然大物,
球体表面的引力场极其强大, 强大到它内部及表面附近的任何光线和射线都不能够
逃离。为甚么?由于万有引力的存在, 任何物体要脱离星球必须达到一定的逃逸速
度。例如地球上的任何物体要离开地球进入宇宙空间, 就必须达到11.2公里/秒的速度。因
为黑洞的引力场极之强大,经计算,其逃逸速度超过光速( 三十万公里/秒),因此,
任何光线和射线都不能够逃离。这就是爱恩斯坦广义相对论预言的“ 黑洞”,现在
已经被天文学的发现完全证实!