

我们应该从爱因斯坦的广义相对论出发去理解这一现象——引力,它的本质是时空的弯曲。
时空弯曲究竟如何?
然而,有些网络科普文章所使用的下图来描绘引力引起的弯曲,实际上是误导之谈。
真正的引力所造成的时空弯曲应该是这样子的:
从上述示意图中我们可以看出,引力造成的时空弯曲实际上体现在时空密度上的差异——在地球周边,时空密度变得更大。如果我们让天体移动起来,那么就会出现以下情况。
因此,引力其实是由时空密度的变化所引起的——不仅空间更为稠密,时间同样如此。我们可以用时空的网格状结构来形象地描述这种密度的变化。这些网格会随着引力而持续改变形状(不会出现断裂),并且会围绕天体的中心扭曲。
时间为何会流逝得慢一些?
这里我提供两个角度的解释(这些只是基于逻辑的推测,未经科学实验证实,读者请注意):
从时空网格密度的角度来解释。
我们不妨以一个只有地球存在的时空模型为例,使问题简化:
如前所述,在靠近地球的区域,时空网格更为密集。我们可以假设一个物体(如一个人)的体积不会因时空网格的加密而改变,从而可以理解为在质量较大的地球附近穿过的时空网格数量更多(因为网格更密),这意味着在这种情况下物体经历的时间也会相应增多。而远离地球的物体,由于其体积不变,但处于较为稀疏的时空网格中,所以其经历的空间和时间都会减少。
换句话说,与靠近地球的物体相比,远离地球的物体在用自身的体积来衡量时间和空间的流逝时,实际上会量度得更少。简单来说,就是靠近地球的物体认为自己以一定的速度匀速移动1秒或1米,但对于远离地球的物体来说,需要花费超过1秒或移动超过1米的距离才能实现。换句话说,在地球附近的1米在远处实际上会超过1米,因为整个时空网格(我们称之为“度规”)在质量附近被“浓缩”了。
上图显示了在引力场中不同位置的人,尽管她们觉得自己的体积没变,但在不同密度的时空中移动时,所经历的相对时空流逝量是不同的,在密度较大的时空中完成同样的运动所需的时间会相对更少。注意女孩脚下的波纹,光在不同密度的时空中传播速度不变,但波长会改变。时空越稀疏,光波越会被拉长。因此,我们可以通过光的红移或蓝移来度量时空被拉伸变稀疏或被压缩变密集的程度。
这种“浓缩”效应同样解释了引力透镜现象(光线在向质心传播时被挤压)和光的引力红移(光线逆着时空梯度传播)——光就是一种很好的度量时空网格的工具,光的运动轨迹正是沿着时空网格。如果遇到黑洞,光线也会朝其内部弯曲,这意味着时空网格同样会延伸至黑洞内部(并且这种延伸是无止境的)。
从等效性的角度来解释。
爱因斯坦的“强等效原理”认为:引力与加速度是等效的,或者说我们无法通过实验分辨两者的差异(这实际上是惯性质量与引力质量等效的推论)。因此,我们可将引力视作一种加速运动,并认为时空在加速向物体的质量中心塌陷。这样就容易解释时间变慢的现象了。
上图:引力质量与惯性质量的“巧合”等效。实际上,这意味着时空正以重力加速度进行内向塌陷运动(黑洞不就是这种情形的极端态吗?)。
我们再次利用上面的场景来进行说明,以便大家更好地理解:
根据强等效原理,上述情况下靠近地球的物体的加速度会高于远离地球的物体,因此两者之间必定存在一个等效速度差,也就是说它们之间的时空距离会不断增加,从而产生一个相对的等效速度。这时,我们可以引用狭义相对论的结论,若两物体间存在相对速度,则它们会经历不同的时间流逝速度,且该时间膨胀量符合洛伦兹变换的计算结果。显而易见,靠近地球的物体所产生的等效相对速度要大于远离地球的物体,所以根据狭义相对论的等效性原理,远离地球的物体会观察到靠近地球的物体经历的时间更为缓慢。
因此,通过将广义相对论的结论转换到狭义相对论的框架中,并利用被广泛接受的引力与加速度等效性,我们可以进一步理解引力导致时间变慢的机制。
综上所述,我们首先澄清了对时空弯曲的常见误解,并基于正确的理解,提供了两种途径来阐述引力造成时间变慢的深层原理。
上一篇:2025年新增在皖招生普通高校名单_大皖新闻 | 安徽网
下一篇:没有了