从小球与子弹的运动理解爱因斯坦理论中的时空弯曲

从小球与子弹的运动理解爱因斯坦理论中的时空弯曲

首页休闲益智重力空间小球更新时间:2024-04-29

如果我们说重力不是一种吸引力而是空间的弯曲,为什么从枪口某一角度射出的高速子弹和以同样角度抛出的低速小球,它们掉落的运动轨迹不同? 如果说重力真的是空间扭曲的表现,并且物体都简单地跟随空间本身的弯曲掉落,为什么物体各自有自己的掉落轨迹?

这是个好问题,直指爱因斯坦理论的核心——为什么重力是时空的弯曲而不只是空间的弯曲。

下图展现了问题描述的场景:小球与子弹沿同一路径开始运动(自人的头顶水平地开始运动)。不出所料,它们的轨迹很快就会出现差异——相比小球,子弹落至地面前经过的水平距离会比小球更远。

以前,人们不会对这个现象产生过多疑问,但在爱因斯坦重新定义重力后,这是个很重要的问题。爱因斯坦理论认为,并没有重力这种“力”将物体拉到地球上,我们认为物体沿曲线掉落,其实是我们因为无法感知周边空间的弯曲而产生的错觉,事实上这些掉落的物体在沿直线运动。

如果这就是事实,小球与子弹一开始沿着同样的路径运动,那么后续的运动轨迹也理应是相同的。毕竟,想象一下在地表等球形表面上行走的情况,假设你从某点开始向东沿直线行走,你的朋友也从同一地点向东沿直线奔跑,你们俩走过的路将会是相同的!不论你以什么速度前行,你们俩最终会到达同一终点。所以为什么小球和子弹不在同一终点相遇呢?

唯一的解释是,在爱因斯坦理论中所提的“时空曲率”中弯曲的不仅仅是空间,还有时间。下图可以帮助我们更好地理解这个概念。图中描述的小球和子弹与上面所说的情形完全一致,只是相比上面的空间示意图,这次的示意图是一张空间与时间(即“时空”)的示意图。

与第一张图的相同,示意图的横轴表示空间上水平方向的距离;然而纵轴不再表示垂直方向的距离,而是表示时间,准确地说,是自小球与子弹出发开始计算的时间。第一张图是我们视觉上可以感知到的(因此我在第一张图中加了一个人),第二张图的情况只能在脑海中想象得到。两张图表告诉我们,在同一时间点,子弹经过的路程都比小球更多,鉴于子弹的速度更快,这也是十分合理的。

以上两张图表明,尽管小球与子弹在空间上沿同一方向开始运动,但实际在时空的范畴中它们俩沿着不同的方向运动。所以当我们从时空而不仅仅从空间的角度思考问题,就能理解为什么小球与子弹不会在掉在同一个地方。就像你向东走,而你的朋友向东北走,毫无疑问你和你的朋友会走向不同地点,而小球和子弹(在时空上的)运动方向也不一样,因此它们也会落在不同的地方。

一门架在山顶上的大炮以不同初始水平速度发射炮弹后形成的炮弹运行轨迹。其中(A)和(B)未达到轨道速度,(C)和(D)的速度介于轨道速度和逃逸速度之间,(E)的速度大于逃逸速度。

再进一步思考,想象两个物体初始时沿着相同的时空方向运动的情况,你应该可以理解这种情况只能发生在两个物体的初始运动方向与速度都相同的前提下,例如我们用同一把枪发射两颗材料不同的子弹——比如一颗子弹和一颗炮弹,它们在空间上的同一点以相同的速度被射出,如果没有空气阻力等别的力的影响,它们将会沿着相同的路程在同一时间落在同一位置。这完全符合爱因斯坦理论——物体在时空上的运动路径只取决于其初始时的时空方向,而不会随其质量或材料而改变。

爱因斯坦理论告诉我们要将时空(而不仅是空间)视作宇宙中事件发生的基本“运动场地”。我们应该深刻地认识到——我们身边的所有物理对象实际上存在时空这个范畴当中的,这比在单纯地在空间中理解它们更为复杂。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. curious.astro.cornell

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