什么是时空弯曲?时空的曲率是如何证明的?

在宇宙中,“时间”和“空间”是两个独立的概念,但它们可以共同构成“时间和空间”。爱因斯坦以自己的相对论观点提出了“时空弯曲”的概念和猜想。

时空弯曲

时空的弯曲包括时间和空间。我们可以理解为“空间”不过是一种客观的物质形态。物质形态如果弯曲,还在合理想象范围内;但是“时间”只是一个抽象的概念,抽象的概念是弯曲的?这似乎很荒谬。怎么理解呢?

时空弯曲是指在爱因斯坦的广义相对论中,时空(时空)会因物质的存在而弯曲,时空弯曲是质量(能量)的结果,引力是时空弯曲的表现。

我们可以通过外力弯曲一根棍子或一张纸。由此看来,“弯曲”是物理学中的常用词。

弯曲程度取决于这种材料的半径长度,半径越短,弯曲程度越强;半径越长,越接近直线。就像篮球和地球的区别。

通常,我们一般认为光的路径是直线传播的。然而,宇宙中有一种异常情况:当太阳光线穿过遥远的恒星时,会发生偏转。

也就是说,光不是直线传播的,而是根据引力的方向而变化。而“时空弯曲”就包括了时间和空间的弯曲。我们之前问过这个问题:物理弯曲无可厚非,但如何形成时间弯曲?

时间扭曲

时间是物质永恒运动、连续性和变化顺序的表现,包括时间和时间段两个概念。

时间是一个抽象的概念,看不见却又无处不在。我们一般认为,在宇宙诞生之前(或者大爆炸之前),“时间”是不存在的;时间总是在向前流逝。

人类一般以钟表的形式来衡量时间的变化,但在地球上,我们往往以分、小时、天、月、年来计算地球上的每一次变化。比如地球自转周期是一天,公转周期是一年。但是说到时间弯曲,是什么概念呢?

时间弯曲一般和空间弯曲同时存在。当一个物体因为强引力场而以接近光速的速度运动时,时间也会发生变化。

时间并不是一个客观的物质概念,所以“时间扭曲”并不是指客观形状的扭曲,而是代表了时间间隙所导致的空间扭曲,也就是我们理解的“时间扭曲”,或者也可以理解为时间无序。

在宇宙中,所有的物质都有质量的差异,这些质量的差异会导致引力的不同。

一般来说,引力越大,时间流失越慢,所以时间的扭曲越强。这也是科学家认为时空可以在黑洞中旅行的主要原因之一。

重力弯曲

刚才我们已经说过,宇宙中存在“光不是直线传播”的情况。即由于星系或天体的引力,光线到达周围时发生偏转。

爱因斯坦利用数学原理指出物体周围的空间和时间可以弯曲。当一个物体的质量非常大时(比如黑洞),它的引力会更强,这可能会导致任何经过它的物体的路径发生改变,包括“光”。这种现象被称为“时空弯曲”。

在广义相对论中,爱因斯坦把物质的存在称为“引力场”,这是时空弯曲的主要原因。在宇宙中,引力无处不在,所以宇宙中的光从来不是走直线的。

但是引力从何而来,真的存在吗?这是爱因斯坦提出的一个新问题。

无论是羽毛还是铁球,在真空环境下给定相同的初速度,在引力作用下的轨道会完全重合。

因此,爱因斯坦认为引力并不存在,而是另一种“力”导致了物体运动轨迹的改变,而这种力的大小与物质的质量成正比,这也提出了著名的“时空弯曲效应”。但是如何证明时空弯曲的存在呢?

时空弯曲存在的合理性

我们经常会在一些科幻电影中看到类似时光旅行的情节,但如果应用到现实生活中,难免会觉得荒诞。但其实时空弯曲也是科学的。

除了上述理论上的证明,在现实生活中,我们还可以找到引力场导致时空弯曲的例子,比如日全食。

19世纪初,爱丁顿和戴森领导的观测团队观测到一次日全食,发现当来自遥远恒星的光线经过太阳时,会因太阳强大的引力场而发生弯曲,导致恒星最终成像位置发生变化。

所以证明了爱因斯坦相对论猜想的正确性,也证明了时空的曲率确实可以存在。

关于宇宙和时空的问题非常复杂。如果时空的弯曲和时间通道的变化真的与物质的质量和位置有关,那么大胆猜测一下:如果有一天人类的科技水平发展到一定程度,是否可以实现穿越时空?