相对论的时空观

伤我心太深

　　相对论的时空观

　　万有引力定律的发现是十七世纪自然科学最伟大的成果之一。牛顿、爱因斯坦这些物理学的巨人们通过对万有引力不同定义、解读，推动了不同时期人们对科学的认识。万有引力理论极端重要，如果没有万有引力，所有经典的理论基础都将不成立，没有万有引力理论就没有现代物理学，包括弦理论、宇宙大爆炸、多平行宇宙学说都将不成立。牛顿由于发现了万有引力理论，奠定了其在经典物理学中老大的地位。

　　牛顿的理论解释了很多物理机理，包括星系的运作、地球的运行、人们日常物质运作机理。而在此基础上，爱因斯坦的广义相对论解释了空间与时间的联系，从而把万有引力引申到时空弯曲中去。而弦理论者格林等人则通过十一维弦理论，把广义相对论与量子理论结合起来集合成M理论，试图寻找出人们梦寐以求的大统一理论。

　　关于万有引力的本质，牛顿认为是一种即时超距作用，是不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样称为“引力波”的波动，引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。





　　爱因斯坦最大的贡献是在牛顿万有引力基础之上把空间与时间联系起来，认为其不可分割，并称为四维时空，从而建立了广义相对论。大质量物体比如地球、太阳、星系，都会因为自身庞大的重量把周围平滑时空弯曲。而当物体在弯曲的大质量空间运动的时候，比如地球围绕太阳、卫星围绕地球运动的时候，由于空间弯曲，直线运动就变成弯曲运动，这就是万有引力基础上的相对论时空弯曲。同时爱因斯坦相对论预言了光在太阳等大质量天体下的弯曲，运动的物体寿命延长等，这些都获得了惊人的验证。



　　爱因斯坦预言任何物体周围都存在引力场，而引力场存在于弯曲的时空里。引力场是通过引力波传播，而引力波是通过引力子使物体相互吸引的。

　　引力子：引力子又称重力子，在物理学中是一个传递引力的假想粒子(目前仍未知是否真正存在)。为了传递引力，引力子必须以永远相吸、作用范围无限远及以无限多的形态出现。从量子引力的观点出发，引力子是必定存在的，引力能量可以是一份一份的，引力能量必须由引力子作为载体将能量传递到无限远处，这是存在引力子的一种理由。

　　从量子理论角度，电磁学可用光子来解释，弱核力和强核力可用量子化的单独粒子传递来解释：人们希望量子理论能解释万有引力相互作用，所以科学家们假想有一种未发现的引力存在，其性质与光子类似。




　　引力子同其它媒介子一样，是传递能量的粒子。例如光子，光子是一种传递电磁波能量的媒介子，引力子与光子的行为极其类似，它以传递引力波能量而存在。在宇宙中，引力波实质上是引力的扰动。

　　科学家们认为天体的旋转、坍缩、相撞等方式都会产生引力波，引力波在宇宙中是普遍存在的，因此必定存在引力子，这是引力子存在的另一个理由。有人认为宇宙必然存在引力子，否则宇宙就不是人们看到的目前这个状态。正如霍金认为那样：因为万有引力等物理世界定律的存在，宇宙自身能够从无到有、自我创造。正是宇宙定律，宇宙的自身是宇宙存在、并诞生生命的原因。




　　引力波：引力波是广义相对论中的预言。引力波是以波动形式和有限速度传播的引力场，按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波，引力波是流体力学中另一种性质迥异的波动。目前对引力波的解释有多种，在弦理论的理论中引力被定义为自由的闭弦，可以被传播到宇宙膜外的高维空间以及其他的宇宙膜。

　　引力波在真空中以光速传播，引力波直接联系着波源整体的宏观运动，因为携带能量，且引力波的强度很弱，物质对引力波的吸收效率极低，直接观察极为困难，而不像电磁波那样来自单个原子或电子运动的叠加。因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相。


　　天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。


　　例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发以及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程都能辐射较强的引力波。从1974年到1978年底，科学家们在波多黎用天文望远镜，对一万五千光年外远的射电脉冲双星进行了观测，间接地证实了引力波存在。




　　2012年8月一组天文学家研究团队，通过观察由一个相互围绕旋转的白矮星，发现了奇特的时空涟漪。

　　根据该研究小组的成员、来自史密森天体物理天文台的研究人员沃伦·布朗(WarrenBrown)介绍：“这个发现结果是引力波效应探测上最强的信号，而且受到的干扰也最小。”这颗白矮星双星系统靠得非常近，其编号为SDSSJ065133.338+284423.37，每13分钟就能完成一次轨道周期，它们的距离相当于地球到月亮的三分之一距离。爱因斯坦的广义相对论中就预言了宇宙空间中的移动天体可以对时空构成影响，形成其被称为引力波的时空涟漪，引力波的产生意味着这个白矮星双星系统能量在降低，因为引力波带走了一些能量，这样演化下去的结果便是它们的轨道越来越靠近，旋转得越来越快。

　　研究人员认为相较于2011年4月对J0651白矮星双星系统的探测结果，科学家们发现了相互遮掩的周期加快了。从这些探测结果中，科学家们可以对J0651白矮星双星系统中的引力波探测，推断出其轨道的衰减程度，可在将来直接探测到。最终这两个白矮星在200万年后就发生合并。

　　虽然科学家发现脉冲中子星、白矮星的波动现象，但是现实中也可能是其他现象引起的假象，被人为地认为是引力波引起的。这种现象有可能是磁力波，也有可能是粒子或者粒子流引起的反应。