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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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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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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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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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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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这个类比有着误导性的地方。首先,橡皮垫的曲率是空间曲率,而不是时空的曲率。它无法解释质量引起邻近时钟的独特效应(我们将在下一章来讨论这些效应)。更为糟糕的是,这个模型用引力来解释引力。地球对保龄球的引力引起了橡皮垫表面的凹陷。从专业的意义上而言,用橡皮垫模型来进行类比是完全错误的。
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然而,这个类比确实抓住了广义相对论的某些精髓。时空是可变形的,重物能使其形状发生改变,小物体的运动受重物所产生的曲率的影响。凹陷的橡皮垫很像我不久将要在数学上解释的嵌入图。当这个类比对你有帮助时就利用它,但记住它仅仅是个类比。
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黑洞
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取一个苹果,将它从中间切开。苹果是三维的,但新剖开来的截面是二维的。如果你把所有的这些二维的细苹果薄片堆积起来,你可以重新构建苹果。你可能会说每一个细薄片被嵌入更高维的薄片垛之中。
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时空是四维的,但当把它切成薄片后,我们就展现出三维空间薄片。它可以被形象化为一垛薄片,每一薄片代表某个特定时刻的三维空间。形象化三维空间要比形象化四维空间容易得多。这些薄片的图景被称为嵌入图,它为弯曲几何提供了一个直觉的图景。
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我们以太阳产生的几何为例。暂时忘记时间,而专注于形象化太阳周围的弯曲空间。嵌入图就如同橡皮垫上的微小凹陷,以太阳为中心,这几乎类似于放有保龄球的蹦床。
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如果质量集中在一个更小体积之内,那么太阳周围的扭曲会更为显著。
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虽然白矮星或中子星周围的几何更为弯曲,但它仍然是光滑的。
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正如我们早先所了解到的,如果一个正在坍缩的恒星收缩到足够小,包含在史瓦西半径(对太阳来说,史瓦西半径是2英里)之内,接着就像蝌蚪被困入排水孔中一样,组成太阳的粒子无法抗拒吸引力,一直坍缩下去,直到它们形成奇点,一个有着无穷大曲率[31]的点。
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讹传中的黑洞
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我想这一小节会引来某些读者愤怒的邮件,他们关于黑洞的知识主要来自于迪斯尼电影《黑洞》。我不想被人称为煮鹤焚琴的人,上帝知道黑洞是引人入胜的物体,但它不是通往天堂、地狱或是其他宇宙,甚至是返回自身宇宙之门。因为在爱情、战争和科幻小说里,一切都是美好的,我不是真的在意电影制作人是否曾到旮旯岛旅行过。但是为了理解黑洞,所要求的要比仔细学习二流电影要多得多。
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