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广义相对论表明时空弯曲是引力的本质,但时空到底是怎么弯曲的?

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三百多年前,牛顿提出了著名的万有引力理论,但牛顿本人也知道,他并没有诠释出引力的本质,也就是说,引力到底是如何产生的?

当然,我们不可能苛求牛顿再去诠释引力的本质,不管多么伟大的人物,都会受到时代局限性的束缚,而任何时代都有一定的局限性。而人类文明的发展,某种意义上就是不断突破各种局限性的过程。

引力的本质到底是什么?这个问题留给了几百年后同样伟大的科学家,爱因斯坦。

爱因斯坦在20世纪初接连提出了伟大的狭义相对论和广义相对论。其中广义相对论最具颠覆性,最能体现爱因斯坦那聪慧大脑和颠覆性的思维。他提出的相对时空观,时空具有弹性让人类第一次明白了引力的本质其实是时空弯曲,而引力只是时空弯曲的表象。

言外之意,我们可以认为引力其实是不存在的,引力只是表面现象,更深层的东西是时空弯曲。

如何理解时空弯曲?

很多人小时候都玩过蹦床游戏,在一块弹性布料构造的床上来回蹦,蹦床就会形成一个凹陷。这时候如果你在凹陷的蹦床上放上一个玻璃球,玻璃球就能受到凹陷的影响,向着凹陷的中心点滚落,体现出来的就是引力。

蹦床就相当于时空,蹦床的凹陷就相当于时空的凹陷。

不过这种对时空弯曲的描述其实是不严谨的,很容易让人产生误解,因为蹦床上的玻璃球之所以向下滚落,还是因为受到地球引力作用,给人的感觉好像是引力造成的时空弯曲,而不是时空弯曲造成的引力。

网络上很多对时空弯曲描述的示意图也基本上都是类似蹦床的模式,都是不严谨的,但主要目的也是为了更通俗地描述时空弯曲,毕竟蹦床的模式很容易让人理解。

其实,时空弯曲的方向并不是“向下”,毕竟上下的概念只是人为定义的,宇宙太空中没有上下概念。实际上时空弯曲的方向是朝着物体的质心,物体周围的时空都朝着物体质心发生弯曲。

同时,物体的运动也会拉拽周围的时空一起运动,通俗来讲就是:物体告诉时空如何弯曲,时空告诉物体如何运动。

那么,既然引力的本质是时空弯曲,为什么我们不直接抛弃引力,选择用时空弯曲来描述万物的运动规律呢?

我们要明白一点,科学是服务于人类的,科学不仅仅需要严谨,而需要实用性,也就是说科学也要讲究实际运用。什么意思呢?

刚才说了,引力的本质是时空弯曲,牛顿的万有引力定律只是时空弯曲的近似表达而已,广义相对论下的引力场方程比万有引力定律更精准,但为什么直到今天我们还在用万有引力,甚至统治我们世界的仍旧是万有引力定律?

答案很简单,因为我们生活在低引力世界,引力场方程确实更精确,但也很复杂,它是二阶非线性偏微分方程组,要求解这个方程是非常困难的,即便是爱因斯坦也是运用了很多近似的方法,才做出的很多预测。

而牛顿的万有引力定律就相当简单了,初中生都可以轻松求解和这个方程。

更重要的是,在低引力世界,牛顿的万有引力方程已经相当精确了,没必要用更精确的引力场方程,只有上升到宇宙的高度,比如说描述大质量天体的运动规律时,才有可能用到引力场方程。

这就好比在现实生活中,你要把一袋20斤重的大米搬到三楼,成年人都可以直接用肩膀扛到三楼,就完事了。但如果你非要用一个大型吊车把这袋米吊到三楼,可不可以呢?

确实可以,但我相信没有一个人会那么做!

万有引力定律和时空弯曲的道理也是如此。时空弯曲就好比那台巨大的吊车,在平时完全没有必要使用。如果非要使用,反而会增添更多的麻烦。

如今人类在用火箭发射各种探测器,卫星和飞船的过程中,运用的理论都是万有引力定律,而不是时空弯曲下的引力场方程。因为对于我们生活的世界来讲,引力实在太低了,万有引力定律已经相当精确了,那微小的偏差完全不会对火箭发射有什么影响,甚至还没有你打个喷嚏对火箭的影响大!

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