為什么引力會導(dǎo)致空間彎曲
引力即任意兩個物體或兩個粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力，自然界中最普遍的力，簡稱引力。下面是小編為大家整理的為什么引力會導(dǎo)致空間彎曲，僅供參考，歡迎閱讀。
萬有引力是牛頓的偉大發(fā)現(xiàn)之一，萬有引力定律表述為：任何兩個物體都是相互吸引的。引力的方向沿著兩個物體之間的連線，引力的大小跟兩個物體的質(zhì)量乘積成正比，與它們的距離平方成反比，比例系數(shù)叫作牛頓引力常數(shù)，或者叫萬有引力常數(shù)。
牛頓并沒有告訴我們?nèi)f有引力有什么更深層的起源，也就是說，牛頓認為萬有引力是基本相互作用力。我們并不覺得這有什么奇怪，例如，電磁力就是電磁力，也不可還原為更加基本的力。萬有引力定律十分強大，既可以解釋地球上一切受到地球吸引的物體的運動，也可以解釋天體的運動，例如地球如何繞太陽做橢圓運動，月亮如何繞地球做橢圓運動，還可以解釋潮汐現(xiàn)象，可以解釋銀河系，星系團的.結(jié)構(gòu)和起源。
從牛頓到愛因斯坦之間的250年間，幾乎沒有人懷疑過萬有引力定律，也沒有人想修正這個理論。那么，愛因斯坦為什么要修改萬有引力定律？是他發(fā)現(xiàn)有什么現(xiàn)象萬有引力定律解釋不了？還是有什么天體的運動規(guī)律突然偏離了萬有引力定律？或者，愛因斯坦覺得萬有引力定律背后還有更深的物理原因？
啟發(fā)愛因斯坦尋找新的萬有引力理論的動機有兩個。第一個，他的狹義相對論某種意義上是麥克斯韋電磁理論需要的運動學(xué)。愛因斯坦狹義相對論的第一篇論文的題目就是《論動體的電動力學(xué)》，他想知道不同慣性系之間電磁學(xué)運動方程之間的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)在狹義相對論中，麥克斯韋方程在不同的慣性系里的數(shù)學(xué)形式完全一樣。當然，光速本身也是麥克斯韋方程的結(jié)論之一，所以光速不變。因此前面提到的伽利略相對性原理對于麥克斯韋方程是正確的。愛因斯坦將目光轉(zhuǎn)到萬有引力上時，問題來了。牛頓的萬有引力是瞬時力，萬有引力定律不滿足狹義相對論中的伽利略原理。這樣，牛頓定律必須修改。
第二個動機是，為什么慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量有關(guān)？這兩個質(zhì)量的起源完全不同。慣性質(zhì)量在狹義相對論中等價于能量，而引力質(zhì)量是牛頓為了表述萬有引力定律引進的，不一定就是慣性質(zhì)量。
愛因斯坦認為，要將引力與狹義相對論結(jié)合起來，不可避免地要推廣慣性原理。他花了好幾年一直沒有找到出路，終于有一天，他興奮地想到，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是解決問題的關(guān)鍵。
為什么這個簡單的想法是解決問題的關(guān)鍵？這是因為，如果引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量完全相等，那么我們就會看到，在時空的一點附近所有的點粒子的加速度都是一樣的。如果作為觀測者的我們也有這樣的加速度，那么依我們自己作為參照系，所有粒子都沒有加速度，這不是一個局域的慣性系嗎？在我這個自由降落的慣性系中，所有物理學(xué)定律和慣性系中完全一樣。于是，我就可以原封不動地將慣性系中的物理學(xué)定律寫下來。那么，在一個抵抗引力不做自由下落的坐標系中，物理學(xué)定律可以通過“翻譯”自由下落的慣性系中的物理學(xué)定律得到。
由此，愛因斯坦想到彎曲幾何的類比。取任何一個曲面，例如球面，在曲面上一個點的附近，曲面近似是平坦的，這個“附近”范圍越小，幾何就越平坦。整個彎曲面的幾何是無數(shù)這種平坦的幾何拼接成的，有點像足球，每一塊縫制足球的五邊形和六邊形看上去并沒那么彎，如果將這些小塊皮做得更小一些，就更平了。現(xiàn)在，在引力場中，既然每個時空點附近都有局部慣性系，那么我們可以將無數(shù)局部慣性系“縫制”成一個彎曲時空。
慣性系確實是平坦的，因為根據(jù)愛因斯坦的觀點，在慣性系中，最關(guān)鍵的不再是空間距離，而是“時空距離”，這個時空距離有某種絕對意義，如果我們從一個慣性系轉(zhuǎn)換到相對勻速運動的另一個慣性系，這個“時空距離”不變，但空間距離不再有絕對意義。所以，愛因斯坦將彎曲空間推廣為彎曲時空，他的場方程告訴我們時空的彎曲與能量以及動量有關(guān)。
我們很容易想象彎曲的曲面，這是因為我們可以在三維空間中直接看球面、環(huán)面等。當然，在數(shù)學(xué)理論中，數(shù)學(xué)家完全可以擺脫三維空間研究曲面，只要給出曲面上的長度度量，曲面的性質(zhì)就決定了。類似兩維曲面，我們可以想象三維彎曲空間，不必將三維彎曲空間放進四維空間或更高維空間中。空間彎曲，對于一個幾何能力稍好的學(xué)生來說，并不難想象。最后，如何想象彎曲的時間空間？彎曲的時間還是好想象的，就是在不同的空間點，時鐘走的快慢不一樣。愛因斯坦的彎曲時空是現(xiàn)代萬有引力理論。
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