一个烧脑的问题:空间为什么会弯曲?

一个烧脑的问题:空间为什么会弯曲?


来源: 量子科学

时空弯曲示意图(图片来源于网络)

时空弯曲,是相对论里面烧脑指数为五颗星的难题。一根铁棍会弯曲,一根大树会弯曲,甚至一块石头在一定的技术处理之后也可以弯曲,等等,看得见摸得着的事物,只要技术许可,都可以弯曲,理解起来毫无困难。时空在人类的大脑里面,近乎一种抽象的存在,理解起来已经够困难了。可是,相对论竟然还认为时空可以弯曲,这难度已经不是烧脑级,而是爆头级的了!

可是,作为现代人,你根本不能忽视相对论描述的怪异时空现象。例如,我们每天出行要用到的卫星导航,就必须得考虑相对论效应。卫星上的原子钟,因高速运动而导致时间变慢(-7.2微秒/日),同时又因为承受着(相对地面)较弱的重力场而导致时间变快(+45.9微秒/日)。不要小看这一天相差的38.7微秒,由此带来的导航偏差大约是11公里,可谓差之毫厘谬以千里。导航软件必须要精确地计算出两者相互抵消后的时间误差,才能确保定位准确。否则,开车导航走错路是小事,飞机降落到居民区、导弹打进大城市,就是灾难性后果了。

相对论经历了从狭义相对论上升到广义相对论的过程,二者的区别在于时空观念的不同。狭义相对论的背景时空是平直的;广义相对论的背景时空则是弯曲的。

在狭义相对论之前,人们认为时间、空间和物质,三者是各自独立的,相互之间不会产生关联。时间和空间只是物质运动的背景,只是计算物质运动状态的参数。牛顿力学就没有牵涉到物质加速运动,会导致空间缩小和时间变慢的问题,属于绝对时空观。

相对论首次提出了“四维时空”的概念,认为时间与空间之间,不是相互独立的,毫无瓜葛的,而是一个整体——时空。爱因斯坦的相对论,刷新了人类的世界观。相对论的时空观革命,让人类大脑中的绝对时空观蜕变为相对时空观。

在广义相对论里,引力质量与惯性质量等效。引力,实质上并不是一种“力”,而是一种时空弯曲效应。物体的质量,能够产生时空的弯曲。

相对论中的“引力导致时空弯曲和时间变慢”观念,为科幻文学提供了新鲜素材;穿越时空虫洞,时光倒流机器等,成了耳目一新的科幻题材。

相对论的时空,是连续的、平滑的;而量子力学的时空,是不连续的、离散的。相对论适用于宏观运动的物体,而量子力学适用于微观运动的物体。相对论与量子力学的时空观尖锐对立,二者无法调和,无法统一。有人提出用弦理论来统一相对论和量子力学,在数学上得到了完美的和谐一致。然而弦理论因为涉及到的时空太微小,目前还无法验证,严格说来,还属于哲学范畴。

弦是什么,弦振动的能量来自哪里,弦理论本身也说不清楚。可笑的是,有人还煞有介事地说:振动得快的弦,是意识;振动得慢的弦,是物质。我想问:那振动得不快不满的弦,又是什么呢?你不要告诉我,那是“能量”。频率在什么范围的算作快,哪个范围属于慢?总得有个大致的概定嘛。

怎样用量子力学的离散性时空观念,去理解相对论的弯曲时空,今天谈点个人看法。

时空在微观尺度上上离散的,而在宏观尺度上是连续的,其实并不矛盾。就像你站在轮船上看大海,眼睛里呈现的是波涛起伏的画面,而坐在飞机上的人看大海,眼睛里呈现的却是水平如镜的画面。

连续的时空不能产生波动,离散的时空才能产生波动。例如,没有凝固结冰的水,水分子与水分子之间,是不连续的,水面一旦受到扰动,就会产生水波;如果水冻结成为冰块,水分子与水分子之间,就变成了连续的,冰面受到扰动,就不会产生水波。从这个角度理解,引力波的发现,不仅证实了相对论的时空观,同时也证实了量子力学的时空观。

时空在微观尺度上是离散的,则时空与时空之间就可能存在不同的组合结构。物质质量大的地方,时空密度大;物质质量小的地方,时空密度小。时空密度大,时间流逝速度就慢;时空密度小,时间流逝速速就快。

光线折射(图片来源于网络)


物质在时空之中的分布不均匀,有的地方大,有的地方小,由此导致的时空弯曲和时间变慢,就好理解了。光线在不同介质里面,传播速度就会不一样。在真空里面最快,进入大气层就会变慢,进入水或者玻璃,就会更慢。光线从真空进入大气层,会发生折射,从空气进入水或者玻璃,也会发生折射。这种折射,就是由于介质的密度不一样而导致。物质和时空是有机统一的整体,介质密度不一样,也可以说是时空密度不一样;时空密度不一样,就会导致光线弯曲(折射)。如果说时空在微观尺度,也是连续的、平滑的,那么,不同介质的时空也应当是连续的,平滑的,光线传播就应当不会受到影响,就不会发生光线弯曲(折射)的现象。

时空在微观尺度上是离散的,而在宏观尺度上看起来是连续的,或者说,只是近似连续的。