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66663周前
十年以后 爱因斯坦给出了答案 1916年 他正式提出的广义相对论 基于等效性原理,爱因斯坦认为加速运动与引力作用是等效的 所以正在加速或者减速的飞船,正处于一个强引力场之中 引力场越强 时间流逝就越慢 所以相对于处于强引力场的飞船 地球的时间流逝的就会比他快 虽然地球之于飞船相对运动造成了时间减慢 但两个叠加 结果就会是地球的时间,总体比飞船的时间快 所以如果换作以飞船做为参考系 我们要同时计算,高速运动造成的时间膨胀 还要考虑 加速运动 也就是引力场造成的时间膨胀 两项叠加 计算结果与地球作为参考系,是一致的 都是出去飞一圈的乙 更年轻 听上去好像 很抽象 我下面举一个实际应用的例子 全球定位系统GPS 或者我们的北斗卫星 卫星在高空中绕着地球高速转动 他的速度大概是1.4万公里/小时 根据狭义相对论来计算 卫星的时间相比地面上,每天会慢7微秒 另外 卫星的高度距离地面2.15万公里 根据广义相对论 卫星所处的引力场要比地面弱 算出来每天会快45微妙 两项叠加 卫星的时间每天会快39微妙 造成的直接结果就是,每天会造成10公里的定位误差 所以不管是GPS还是北斗,要定位准确 就必须同时用狭义和广义相对论的时间膨胀公式来修正 所以爱因斯坦所说的时间膨胀 并不是有些人认为的人的感知,人的意识 或者信息传递的时间差 他与人的意识没有任何关系 不管有没有意识 甚至不管有没有人 时间他就在那里流逝 流逝的快慢 只与运动速度和引力场 这两个因素有关 当然 广义相对论不仅仅是讲时间膨胀 就是物质的质量或者能量,会导致周围的时空发生弯曲 他用引力场方程 对时空曲率与物质的关系,进行了定量描述 最初爱因斯坦得到的方程是这样的 但是后来他发现 基于这个场方程得到的宇宙模型 没办法保持静止 他要么收缩 要么膨胀 所以他在方程中加入了一个数值来维持平衡 也就是宇宙常数 有了引力场方程,聪明绝顶的爱因斯坦当然要构建新的宇宙模型 爱因斯坦的宇宙模型是这样的 首先 他跟牛顿一样 都认为宇宙应该是静止和均匀的 但是不同于牛顿的无限 爱因斯坦认为宇宙是有限的 我们可以这样想象,把三维的立体空间压缩成二维的平面 这个平面的形状就是一个球形的表面 他的大小是有限的 但是没有边界 这是基于广义相对论 质量会弯曲周围的时空 那整个宇宙就是一个质量均匀分布的整体 这个整体的时空就会被质量弯曲成一个球面的形状
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66662周前
905年,26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论,他说时间和空间不是分开的,它们是一个东西的两个方面,合起来叫时空。更夸张的是时空不是固定不变的,它会弯曲、会拉伸、会扭曲。10年后他又寄出了广义相对论,彻底颠覆了人们对引力的理解。 我们感受到的引力其实不是一种力,而是时空弯曲的结果。想象一张拉紧的床单,你往上面放一个保龄球,床单会陷下去,然后再滚一个弹珠上去,弹珠会顺着凹陷滚向保龄球,看起来就像保龄球在吸引弹珠,这就是引力的本质。质量让时空弯曲,弯曲的时空告诉物体怎么移动。 广义相对论有一个惊人的推论,时空本身是在大爆炸中诞生的。大爆炸之前不仅没有物质,连空间和时间都不存在,是大爆炸创造了一切,包括装这一切的容器。 爱因斯坦还预言了一个东西,引力波。当巨大的天体剧烈运动时,比如两个黑洞相互旋转然后撞在一起,它们会在时空里掀起涟漪,就像往平静的湖面扔石头。这个预言提出了整整一百年都没人能验证,直到2015年美国的LIGO探测器终于抓到了引力波信号,那是13亿光年外两个黑洞合并时发出的声音,爱因斯坦100年前的预言被证实了。 现在来说说宇宙里最让人摸不着头脑的东西,暗物质和暗能量。你以为构成宇宙的主要是原子、行星、恒星这些熟悉的东西,太天真了。熟悉的这些正常物质只占宇宙总量的大约5%,剩下的95%是什么?老师说不知道,但科学家给它们起了名字,暗物质和暗能量。之所以叫暗是因为它们不发光、不反光,几乎不和任何东西发生作用,压根看不见它们。 暗物质的故事要从1933年说起,有个瑞士天文学家叫茨维基,他在观测一个星系团的时候发现不对劲,那些星系运动的速度太快了,按照可见物质的质量,引力根本拉不住它们,它们早该四散飞走了,但它们没有,老老实实待在一起。茨维基说肯定有什么看不见的东西在提供额外的引力,他管这叫暗物质。当时大家都觉得这老头在说胡话。 40年后美国天文学家薇拉- 鲁宾发现了更直接的证据,她研究星系自转的时候发现星系外围的恒星转得太快了,比理论预测的快很多,唯一的解释就是星系外面包裹着一大团看不见的东西。 现在知道暗物质大约占宇宙总量的27%,它不发光、不反射光,唯一的存在感就是它的引力。全世界有很多实验室在拼命寻找暗物质粒子,但到现在还是一无所获。 如果暗物质够神秘了,那暗能量简直就是神秘他妈给神秘开门,神秘到家了。1990年代末,两组天文学家分别研究遥远的超新星来测量宇宙膨
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66663周前
然虫洞和白洞在广义相对论里是说得通的 但别忘了 广义相对论是时间对称的 而且它不管物理学的其他规矩 特别是热力学第二定律 目前没有任何已知的物理机制 能解释白洞里那些高度有序、复杂的能 量是怎么从空荡荡的太空中凭空冒出来的 加上我们从来没观测到任何像样的证据 让白洞这事儿看起来更像是科幻小说 而不是科学事实 如果是信奉弦理论的话 也许它们存在于眨眼的一瞬间 或者是那种根本探测不到的微观形态 但说到白洞能像传送门一样通向宇宙别处 结论挺让人失望的 这大概率只是我们理论物理学家脑子里的幻想 虽然这听着挺扫兴 但我要提醒大家 这只是否定了虫洞作为本 宇宙内部传送门的可能性 让人激动的想法依然没被排除 那就是黑洞通向的可能不是我们这个宇宙 而是全新的宇宙 虽然我们没在太空里见过白洞 它的行为跟白洞简直一模一样 大爆炸就是在一瞬间 把宇宙所有的能量脉冲式地释放出来 这看起来太像一个奇点了 而且从那以后 能量就一直往外扩散 哪怕是今天 星系和物质还在被一种神秘力量推着互相远离 驱动着宇宙膨胀 这感觉就像是白洞在把物质推离它的视界一样 我们刚才说了 白洞的视界本质上是一个时间屏障 想闯进去就像想回到过去一样 大爆炸就是我们的时间屏障 大爆炸的视界就是宇宙诞生的那一刻 大约138亿年前 我们宇宙里的任何东西都 永远没法突破那个时间零点 时间根本就不存在 大爆炸和白洞的行为如此相似 如果黑洞真的跟大爆炸有某种联系 那也许我们眼里的所谓白洞 其实就是一个新宇宙诞生的过程 这个想法给了我们完善宇宙图景的新视角 当我们把黑洞的过去和未来延伸画出来后 那个连接通道并不像虫洞那样 带我们回到本宇宙的某个地方 相反 穿过黑洞内部 一个时间倒流的平行宇宙 所以 有一派观点认为 黑洞不是空间传送门 也许我们的宇宙就是在一个黑洞肚子里诞生的 就是我们的大爆炸 你就一脚踏进了一个叫黑洞宇宙学的奇妙领域 宇宙起源于黑洞内部 而这些宇宙自己又会产生黑洞 进而生出新的宇宙 上次我们聊过循环宇宙论 说的是宇宙在无限的大 但黑洞宇宙学不一样 它认为我们的宇宙不是孤零零的 而是一个庞大的宇宙家族树的一部分 通过虫洞树枝连接 甚至还通过自然选择来繁衍 那些拥有像我们这样物理定律的宇宙 所以最擅长制造黑洞 也就最擅长生孩子 所以它们在宇宙家族里就更有优势 也许我们的宇宙就是这堆孩子里挺典型的一个 但我们永远不知道这个族
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66661月前
1915年,爱因斯坦向世人公布了广义相对论。在广义相对论的语言中,时空不是静止的,而是会对物质和能量做出反应。时空这张统一的织布会因物质而弯曲,而这种弯曲反过来又影响物质的运动。多年后,物理学家约翰·惠勒用一句简洁的话总结了这一切:“物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动。” 这一切正在你周围乃至你体内发生,引力的涟漪也就是引力波不断从遥远的灾难性事件中传来,掠过地球。当他们经过时,空间会被轻微拉伸和压缩。如果你能精确到原子核的尺度,就会感觉自己被轻柔的拉长和挤压。 像坡的文字一样,广义相对论本身既优美又神秘,有时甚至难以理解。它不仅仅是一种自然规律的理论,更像是一台机器,你给它输入物质的分布,它会吐出一个答案,预测这种物质在自身引力作用下会如何演化。但相对论不会告诉你这样的物质分布在宇宙中是否真实存在,判断可能与不可能仍然取决于人类自己。 牛顿的万有引力定律也是类似,你告诉牛顿一个物体的分布,他的方程就能告诉你它的运动。但牛顿不会回答宇宙里是否真的存在一根长达一万光年的金属棒。让事情更复杂的是,广义相对论不像牛顿力学那样简单,它不是一条能在高中课堂上写下的方程,而是一组四维空间中的十条方程,彼此纠缠,非线性,难以处理。 物理学界知道它是正确的,实用的,但大多数科学家更愿意去研究更容易上手的微观或天体物理问题。正如著名的J.J.汤姆孙曾说过:“我必须承认,没有人能用清晰的语言说明爱因斯坦的理论到底是什么。”不过还是有人取得了突破。 爱因斯坦提出广义相对论后不久,卡尔·史瓦西在一战战壕中找到了一个解法,他输入的最简单情况是类似太阳系的物质分布,输出的结果描述了太阳周围引力的强度。然而这个解中隐藏着别的东西,奇点的可能性。也就是说如果一颗恒星被压缩到某个极限以下,它就会无限塌缩,引力如此强大,形成一个无限密度的点,被一个单向的边界(事件视界)包围。 相对论机器完成了他的任务,剩下的就是要决定这种结果是否真的存在。大多数人对此嗤之以鼻,甚至爱因斯坦本人也在1939年的论文中否认,认为没有物体能塌缩到让引力战胜一切其他力量的程度。当时人们称这种假想天体为“冻结星”,爱因斯坦说他们根本不可能存在。 但罗伯特·奥本海默并不认同,就在爱因斯坦发表文章的几个月后,奥本海默与他的学生哈特兰·斯奈德进行研究。他们刚算出中子星的最大质量极限,这种宇宙中最致命的恒星。当他们继续推算超越
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