何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

據說牛頓當年被一顆蘋果樹上掉下的蘋果砸中了腦袋,然後靈光一閃提出了著名的萬有引力定律,雖然牛頓當年是否真的被蘋果砸中,這件事的可信性並不高,但萬有引力定律確實牛頓提出的無疑(諸如胡克等說法,就不去提它了)

何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

牛頓透過前輩科學家的大量觀測資料,憑藉自身的高超的數學能力和物理直覺,認為宇宙間存在一種廣泛分佈的力,但凡具備質量的物體都會對其周圍的物體產生一個吸引力,力的大小與物體之間距離的平方成反比,並取名為萬有引力。

在相當長的一段時間內,牛頓的萬有引力定律被認為是絕對的真理不可動搖,無論是利用該定律算出了海王星的存在,還是解釋了大量天文觀測現象,萬有引力定律都展現了它驚人的預測力。

直到19世紀末20世紀初,物理學上空出現了兩朵烏雲,一朵是光速和以太,一朵是黑體輻射中的紫外災難,第一朵烏雲催生了相對論,而第二朵則催生了量子力學(這兩朵烏雲,相信大家都早已熟知)。

在第一朵烏雲催生的相對論方面,愛因斯坦在1905年發表的狹義相對論主要是顛覆了牛頓的經典時空觀,將原本獨立的空間和時間,合為了一個整體,但此時尚未涉及到牛頓的萬有引力定律,或者說當時愛因斯坦其實是一直想把萬有引力定律給容納進去的,但遭遇了很大的困難。

何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

最後愛因斯坦另闢蹊徑,透過等效原理以及廣義相對性原理,將引力解釋為時空彎曲,而非牛頓意義上的力,之後在經歷了數年的數學和物理上探索,最終得到了引力場方程,而且需要注意的是,廣義相對論是狹義相對論的擴充,狹義相對論的一切結論都可以在特殊條件下,透過廣義相對論得出。

而之前我們提到利用狹義相對論可以進行時間上向未來進行穿越,那麼廣義相對論也同樣可以,甚至於廣義相對論還可以在忽視掉一些先提條件下,完成穿越到過去的這一壯舉。

我們先來看看廣義相對論是如何幫助我們穿越到遙遠未來的。

何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

既然引力已經被解釋為時空彎曲,而我們在之前的文章中也提到過廣義相對論與狹義相對論的區分就在於各自時空的不同,因此狹義相對論的結論是建立在平直時空的,而所謂的平直時空也被稱為閔可夫斯基時空(這是以愛因斯坦的大學老師命名的物理概念),在這樣的時空下,關於時間、空間的變化都可以用一個線元表示式包含在內,我們常見的洛倫茲變化方程組實際上狹義相對論早期的數學形式,那個時候愛因斯坦的老師閔可夫斯基還沒有用數學去重新包裝一下狹義相對論。

何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

而平直時空也就意味著是一個沒有引力的時空(或者叫做宇宙比較好),在這樣的環境下,兩個慣性系之間的相對運動,我們是可以用常見的尺縮鐘慢公式去計算相應屬性的(當然了,如果不是慣性系,我們還是有辦法去計算,並且我們仍將其歸結於狹義相對論範圍內)。

當時空不再平直,那麼尺縮鐘慢效應還存在嗎?也就是當一個位於不同引力場強的靜止物體,它的尺寸會發生變化嗎?

何為穿越時空?廣義相對論篇(一)

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