问伊桑:质量是否会弯曲时空,它如何向后拉直?


任何质量物体附近的时空曲率都由质量和到质心的距离共同决定。 有必要考虑其他参数,例如速度,加速度和其他能源。

物质告诉空间如何弯曲,而弯曲的空间告诉物质如何移动。 这是爱因斯坦广义相对论的基本原理,它首次将重力等现象与时空和相对论联系在一起。 将质量放置在宇宙中的任何位置,其周围的空间将通过曲率反应。 但是,如果您去除或移动了质量块,是什么导致时空“落入适当位置”(假定位置未发生扭曲)? 我们的读者问了这样一个问题:
我们被教导说,质量使时空变形,而质量围绕时空的曲率解释了引力-例如,围绕地球运行的一个物体实际上沿弯曲时空的直线运动。 假设这是有道理的,但是当质量(例如地球)在时空中移动并弯曲时,为什么时空不保持弯曲? 当质量继续前进时,什么机制可以拉直这段时空?

这个问题有很多有趣的事情,答案实际上可以帮助您了解重力的工作原理。


在太空船或其他天文台可以进行的任何观测过程中,都必须考虑行星和太阳在我们太阳系中赋予的空间曲率。 广义相对论的影响,即使是最小的,也不能忽略。

在爱因斯坦之前的数百年,牛顿理论是我们最好的引力理论。 牛顿的宇宙概念很简单,直接,并且在哲学上不能满足许多​​要求。 他说,宇宙的任何两个质量,无论它们的位置和距离如何,都在一种称为重力的互作用力的帮助下立即相互吸引。 每个物体的质量越大,作用力就越大,它们位于的位置越远,作用力就越小(随距离的平方减小)。 这适用于宇宙的所有物体, 牛顿的万有引力定律与所有其他现有替代方法不同,理想情况是与观测值一致。


牛顿的万有引力定律被爱因斯坦的相对论所取代,它是基于远距离力的瞬时作用

但是他提出了一个想法,那个时代的许多最伟大的头脑都无法接受:远距离行动的概念。 位于宇宙不同末端的两个物体如何突然而又相互影响? 它们如何在如此远的距离上进行交互,以使它们之间什么也没有? 笛卡尔不能接受这个概念,而是提出了另一个概念,即在重力传播的环境中。 他声称宇宙中充满了某种物质,当质量在宇宙中移动时,它会置换物质并产生涡旋-这是以太的早期版本。 这一理论是后来被称为机械(或动力学)重力理论的长篇文章中的第一个。


在笛卡尔的重力版本中,空间充满了以太,只有其位移才能解释重力。 这个想法并没有导致引力的形成,这与观测结果相吻合。

当然,笛卡尔的概念被证明是错误的。 物理理论的有用性决定了与实验的一致性,而不是我们对某些美学标准的倾向。 GTR出现后,从根本上改变了牛顿定律得出的图景。 例如:

  • 时空并非绝对无处不在,但各地的观察者之间的联系和表现方式却有所不同。
  • 重力不是立即作用,而是以有限的速度-以光速运动。
  • 重力不是直接由质量和位置决定的,而是由空间的曲率决定的,而空间的曲率又由宇宙中所有的质量和能量决定的。

远距离的作用还没有消失,但是牛顿的“通过静止空间无限距离作用的力”被时空弯曲所代替。


时空的曲率意味着,位于重力井深处的时钟(因此,在弯曲程度更大的空间中)的时钟与位于深度较小,弯曲程度较小的时钟中的时钟不同。

如果太阳突然从宇宙中消失,那么一段时间我们将一无所知。 地球不会直线飞走; 它会继续围绕太阳旋转8分钟20秒。 重力不是由质量决定的,而是由空间的曲率决定的,空间的曲率由所有物质和其中的能量之和确定。

如果移开太阳,空间将从弯曲状态变为平坦状态,但是这种转变不会立即发生。 时空是一种结构,过渡应该以某种剧烈运动的形式发生,它通过宇宙发送非常大的波(引力),并像池塘表面的涟漪一样通过它传播。


在介质或真空中传播的每个波都具有传播速度。 没有无限的速度,从理论上讲,引力波的传播速度应与宇宙中允许的最大速度一致:光速。

波的传播速度的确定方法与相对论中所有事物的速度确定方法相同:它们的能量和质量。 由于引力波没有质量,但是具有有限的能量,因此它们必须以光速运动。 这意味着地球并没有真正与太阳在太空中的位置直接联系在一起,而是与8分钟前的太阳联系在一起。


引力辐射每次在一个质量围绕另一个质量在轨道上移动时出现,因此,轨道会在相当长的时间内减小。 在未来的某个时候,如果没有人将其抛向轨道之外,地球将陷入螺旋形的残骸中。 地球附着在大约8分钟前太阳所在的位置,而不是此刻所在的位置。

这很奇怪,而且可能是一个问题,因为我们已经对太阳系进行了很好的研究。 如果地球与太阳的位置联系在一起,根据牛顿定律,太阳的位置大约在8分钟前,那么太阳的位置将与观测结果不一致。 但是,GRT在另一方面有所不同。 为了进行计算,有必要考虑到行星绕太阳公转的速度。

例如,地球在某种意义上也是“移动”的,因为它也“骑”在穿越太空的这些波上,没有掉落到它之前升起的地方。 GR中有两个新现象将其与牛顿力学区分开来:物体的重力感知受每个物体的速度以及重力场变化的影响。


时空的结构,由于存在质量而产生波动和变形。 当然,空间的结构是弯曲的,但是当质量在不断变化的引力场中移动时,会发生很多有趣的事情。

如果要计算空间中任意一点的时空曲率,可以使用GR进行,但是首先需要了解一些内容。 您需要完全按照牛顿的要求知道宇宙所有质量的位置,大小和分布。 此外,您还需要以下信息:

  • 这些群众如何运动
  • 不属于质量的所有其他形式的能量如何分布,
  • 您所观察的物体如何在不断变化的重力场中运动,
  • 以及空间曲率如何随时间变化。

只有结合这些附加知识,我们才能计算出空间和时间中某个点的空间曲率。


时空的演变和重力的作用不仅取决于质量的位置和大小,还取决于质量如何相对移动以及如何在不断变化的重力场中加速。

这种弯曲和矫直需要付出代价。 加速的地球不能仅仅在不断变化的太阳引力场中运动而不会产生后果。 它们虽然很小,但可以测量。 与牛顿的理论不同,根据牛顿的理论,地球应该描述一个绕太阳运动的闭合椭圆,GR预测该椭圆应随时间而进动,并且轨道将缓慢减小。 发生这种情况的时间间隔可能会超过宇宙的当前年龄,但是,尽管如此,轨道也不会在任意时间内保持稳定。

甚至在我们测量引力波之前,这就是测量重力速度的主要方法。 不是以地球为例,而是以具有极端参数的系统为例,在该系统中可以很容易地注意到轨道的变化:一个由两个在近轨道上的物体组成的系统,其中至少一个是中子星。


最简单的观察此效果的方法是,大型物体是否在强大而变化的引力场中以快速变化的速度运动。 这样的条件给我们提供了中子星的双星系统! 每当一颗恒星的轴心穿过视线时,这些旋转的恒星中的一两个就会发出在地球上可见的脉冲。 爱因斯坦的引力理论的预测对光速极为敏感,以至于即使观察到1980年代发现的第一个脉冲星PSR 1913 + 16二元系统( Hals-Taylor二元系统 ),我们也对重力进行了限制。恰逢光速范围内的测量误差仅为0.2%!


双脉冲星的轨道下降率在很大程度上取决于重力和双星系统的轨道参数。 我们使用二进制脉冲星数据来限制引力的速度,并将其等同于光速,精确度为99.8%

仅以这些双脉冲星为例,我们得知重力速度在2.993×10 8-3.003×10 8 m / s的范围内。 这证实了GTR,但不包括牛顿重力和其他替代方法。 但是,有一种机制解释了为什么当某个地方的质量离开空间时,空间不弯曲的原因。 GR不是对此的解释。 在不断变化的引力场中以加速度运动的质量将辐射能量,并且该能量将成为波,称为引力波,穿越时空。 自然会返回到平衡,未失真的状态。 它不需要进一步解释,GR就是一切。 [ 当牛顿被问及重力的性质时,他回答:我不做假设。 佩雷夫 ]

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN415673/


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