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1700931110 在出生的时候,爱因斯坦给他们完全相同的袖珍手表,它们是协调一致的。当鲍勃和爱丽丝最终在b处相遇时,他们比较各自的手表,发现了令牛顿为之惊讶的事情。首先,鲍勃长着灰长的胡须,而爱丽丝却正值青春。根据他们各自的袖珍手表,爱丽丝世界线上的固有时要比鲍勃的小得多。正如两点间通常意义上的距离依赖于连接它们的曲线一样,两事件间的固有时依赖于连接它们的世界线。
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1700931112 爱丽丝注意到她的时钟在旅途中变慢了吗?回答是一点儿也没有察觉。她的手表不是唯一变慢的东西,她的心跳、脑功能和全部的新陈代谢都变慢了,在旅行中,爱丽丝无法将她的时钟与其他东西相比。但是当最终和鲍勃再次相遇时,她发现自己要比鲍勃年轻得多。这个“双生子佯谬”让学物理的学生为之困惑已达100年之久。
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1700931114 你可能已经发现了一个特性,鲍勃在时空中以一条直线行驶,而爱丽丝则在一条弯曲的轨道上运行。然而沿着爱丽丝轨道的固有时要比鲍勃的短。这是闵可夫斯基空间几何学中一个反直觉的事实:两事件间直的世界线有着最长的固有时。将这件新装备放进你的大脑工具包吧!
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1700931116 广义相对论
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1700931118 空间如同黎曼一样,爱因斯坦坚信几何(不仅是空间,而且是时空)是弯曲的、可变的。他所指的不仅是空间,而且是时空的几何。按照闵可夫斯基的做法,爱因斯坦让一个轴代表时间,另一个轴代表全部的三维空间,但是他不再把时空视为平坦的平面,而将它想象成一个扭曲的曲面,随波逐流地弯曲。粒子仍然沿着世界线运动,时钟以固有时滴答运行,但是时空的几何变得非常不规则。
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1700931123 空间
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1700931125 爱因斯坦的定律
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1700931127 令人感到惊讶的是,弯曲时空中的物理定律在许多方面要比牛顿物理学中的更为简单。下面以粒子的运动为例。牛顿定律以惯性定律为开始:
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1700931129 任何物体在不受外力的情况下保持匀速运动状态。
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1700931131 这条听起来简单的规则中有一个短语“匀速运动”,它隐藏着两种不同的说法。第一种指,匀速运动意味着是在空间中的一条直线上运动。然而牛顿所指的更强:匀速运动还隐含着恒定的、不变的速度,也就是没有加速度。[30]
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1700931133 但是引力又是什么呢?为此牛顿增加了第二条定律,是有关非匀速运动的定律,即力等于质量乘以加速度,或者用不同的方式表达为:
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1700931135 物体的加速度等于作用到它上面的力除以它的质量。
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1700931137 当涉及引力时,应用第三个规则:
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1700931139 作用于任何物体上的力正比于它的质量。
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1700931141 闵可夫斯基用巧妙的洞察力概括了牛顿关于匀速运动的两个条件:
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1700931143 任何物体,当它不受外力时,它沿着时空中直的世界线运动。
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1700931145 直的世界线不仅意味着在空间上是直的,而且意味着恒定的速度。
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1700931147 闵可夫斯基的直的世界线假设,完美地结合了匀速运动的两个方面,但它只适用于完全没有力的情形。当爱因斯坦将闵可夫斯基的思想,应用到弯曲时空时,他把它提升到了一个新的高度。
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1700931149 爱因斯坦的新定律令人惊讶地简单。沿着世界线上任意一点,粒子进行了最为简单的事情:它笔直地向前走(在时空中)。如果时空是平坦的,那么爱因斯坦定律就是闵可夫斯基定律,但如果时空是弯曲的,即某区域中的巨大物体,使时空发生变形和扭曲,那么新的定律就使得粒子沿着时空中的测地线运动。
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1700931151 正如闵可夫斯基所解释的,弯曲的世界线表明,有力作用在物体上。根据爱因斯坦的新定律,粒子在弯曲时空中尽可能沿着直线运动,不过测地线为了和局部时空的形状相匹配,它不可避免地发生弯曲。爱因斯坦的数学方程表明,弯曲时空中世界线的行为,与粒子在引力场中的弯曲世界线极为相似。因此,引力只不过是弯曲时空中测地线的弯曲。
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1700931153 爱因斯坦用一个有趣的简单定律结合了牛顿定律和闵可夫斯基的世界线假设,并解释了引力是如何作用到物体上的。牛顿把引力作为自然界中一个无法解释的事实,爱因斯坦将它解释为非欧几里得时空几何的效应。
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1700931155 粒子沿着测地线运动,这个原理为我们提供了一种强有力的新方法来思考引力,但是它没有提到引起曲率的原因。爱因斯坦为了完成他的理论,就必须解释是什么决定了时空的扭曲和其他不规则变化。在旧的牛顿理论中,引力场的源是质量:像太阳这样的大质量的存在,产生了其周围的引力场,引力场接着影响了星体的运动。因此自然而然地,爱因斯坦推测是质量(或者等价地说是能量)的存在引起了引力场的扭曲或弯曲。约翰·惠勒是现代相对论理论的伟大先驱者和传授者之一,他用了一个简洁的口号式话语来总结如下:“空间告诉物体如何运动,物体告诉空间如何弯曲。”(他所说的空间指的是时空)
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1700931157 爱因斯坦的新思想意味着时空不是被动的,它的性质,例如曲率,对质量的存在作出反应。时空近乎是一种弹性的材料,甚至是一种流体,受到其中运动的物体的影响。
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1700931159 巨大物体、引力、曲率和粒子的运动之间的联系,有时可以用一个类比来描述,对此我抱着一种复杂的心态。这个想法把空间想象成一个水平的橡皮垫,就如同蹦床一样。当没有物体使其发生变形时,垫子保持平坦。但是,当把一个重物,像保龄球,放在它上面时,就会使它变形。现在加一个质量小得多的物体,一颗弹丸就可以了,观察弹丸落向保龄球时的行为。还可以给弹丸某个切向速度,这样它绕着重物运动,就像地球绕着太阳运动一样。橡皮垫表面的凹陷防止小质量的物体飞出去,就如同太阳的引力拴住了地球一样。
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