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| 2009/07/20 10:20:40瀏覽42039｜回應11｜推薦102 | |
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我們在【什麼叫做「光子在瞬間遍訪宇宙」？】一文中瞭解到，時間不是絕對的。每個物體有它自己的「時間系統」，彼此在相對運動狀態中的物體，會觀測到對方時間的「密度」和自己的不同。這是經過狹義相對論預測、實驗證明的結果。 前文也說過，狹義相對論和「靜止狀態」或「等速運動」有關，而廣義相對論和重力有關。重力就是加速度。加速度乘上物體的質量，就是該物所受的「力」。重力何以即是加速度，可以簡單說明如下。 我們如果站在一具火箭裡，火箭尾端的噴發量，可以用電腦控制、微調。在地表，物體所受的地球重力是「一個 G」，我們讓火箭的加速度﹝與上昇的衝力成正比﹞從零開始。當火箭上昇到重力為「2/3個 G」時，我們讓加速度增強到「1/3個 G」。當火箭上昇到重力為「1/2個 G」時，我們讓加速度增強到「1/2個 G」。當火箭上昇到重力為「1/3個 G」時，我們讓加速度增強到「2/3個 G」。最後當火箭遠離地球，重力為零時，我們讓火箭的加速度增強到「一個G」。然後一直持續這個G，不再改變。 如此一來，火箭裡的人，根本不會知道火箭已經昇空！他們腳下的感覺一如在地球表面，一切動作和在地表時並無不同，所有做的實驗，結果也和在地表時一樣。前文提過，這叫做「等效原理」。也就是說，重力等同於加速度。 加速度或「力」，會改變物體的「靜止」或「等速運動」狀態，使一個物體的運動越來越快。如果我們想保持前述火箭那一個「G力」，我們必須永遠一直加速下去。當然，這是不可能的，因為我們不可能加速加到高過光速。 還有別的辦法持續加速。 速度的改變叫做加速度。正加速度使物體越來越快，負加速度使物體越來越慢。速度不止是一個數值，它還有個方向，合起來叫做「向量」。改變速度可以在方向上下手。譬如說我們乘坐轉轉馬，繞圈圈時我們的速度「值」，也就是「快慢」並無改變，可是方向一直在變，這個變也是一種加速度。前面說，加速度乘上物體的質量，就是該物所受的「力」。我們事實上可以很清楚地感受到這個力──離心力──沒抓穩的話人會摔出去。這離心力的方向也和我們速度改變的方向保持一致：順或逆時鐘轉時，我們的方向一直朝圓心修正──是即加速度的方向──我們被往內「拉」。所謂離心力是此「向心力」的反作用力。 太空站如造成圓圈狀，在太空裡持續旋轉，太空人在裡面頭朝圓心腳朝圈外站立、行走，會感受到與在地表時一樣的「G力」──如果太空站旋轉的速率被精確控制好的話。 回到本文主題。在廣義相對論中，重力或加速度，和時間有什麼關係？ 關係很大。 一如狹義相對論說，物體的相對速度差會影響它們時間的被觀測性質，廣義相對論也說，物體所受的重力會影響它們時間的「密度」。一個物體所受的重力越大，它的時間就過得越「慢」。 在此先預告一下：不止時間，廣、狹義相對論也說，空間也會受到等速運動或加速運動的影響。相對等速度差值巨大時，兩個物體會彼此發現，對方的一切線性度量，會在運動方向上被「縮短」──你我交錯對跑而過，我看你，你看我，兩人都變成「扁扁人」，而且這還不是錯覺。 廣義相對論說，所有一切物體都會將它自身附近的空間扭曲，越大的物體扭曲空間的程度越強。另一物體靠得越近，所受的影響程度也越大。 等一下，這聽起來是不是有點像牛頓的萬有引力定律？ 事實上，廣義相對論對萬有引力的解釋是這樣的：大質量物體譬如地球，將自身周圍的空間扭曲的結果，使得小質量物體譬如月球，循著她自身原來的軌跡﹝一條直線﹞運行時，因為地球周圍的空間被扭曲的緣故，月球的軌跡經過此空間一帶時也跟著被扭曲成現在這個樣子──繞地球轉圈子。 黑洞理論大師約翰‧惠勒有一句名言：“Mass grips space by telling it how to curve, space grips mass by telling it how to move.”「物質告訴空間如何扭曲，空間告訴物質如何運動。」非常值得玩味。 所以萬有引力是什麼？重力或萬有引力，就是空間被物體質量扭曲後，對其他物體所造成的「影響」──你若感受到重力，你就是處身在被「產生該重力之物體」扭曲的空間附近。 本文不討論空間，旨在闡述重力與時間的關係。再一次，言歸正傳。時間和重力有什麼關係？ 在物體附近的時間，和空間一樣，會被該物體的質量扭曲。空間的扭曲已經很難想像，時間到底要如何「扭曲」？ 時間，簡單說，在離有質量物體越近的地方，會過得越慢。在太陽表面的時間，會「過」得比在離太陽十億公里處慢一點點──前者大約是後者的99.9998%。如果這個太陽死亡最後潰縮成中子星﹝詳參 中子星的顏色 和 再談中子星﹞，那麼該中子星地表的時間將「過」得比在離它十億公里處慢許多──前者大約是後者的76%。在超大型星體﹝數百千億倍大於我們的太陽﹞死亡後形成的黑洞﹝詳參黑洞─宇宙不讓你知道的秘密﹞表面，一個叫「事界」的地方，該處的時間將會「慢」到對我們來說幾乎是靜止。也就是說，我們的一生，之於該處的人而言，只是一瞬；他們的一生，之於我們而言，幾近永恆。 吊詭的是，不論是他們或是我們，大家的「感覺」都一樣。我們自覺我們一生過了七、八十年，也差不多；他們自覺一生過了七、八十年，也還不錯。沒有誰自覺一生過得像永恆那麼久，或只一瞬間。 我們所在的這個宇宙，它的空間和時間，會受物體質量的影響而扭曲、變形、變密變疏、或濃或淡，並非一如我們習以為常的那樣固定、不變、無性質。不止質量會對時空造成影響，能量也會。愛因斯坦著名的質能互換公式告訴我們，能量即物質。重力也是一種能量──在高處的物體比在低處的同一物體具有較高的「位能」。所以重力對時間和空間造成影響應該不使人意外。重力是即能量，能量是即物質，物質產生引力，所以重力也會互相吸引，這話聽起來奇怪，確係事實，所以又說“Gravity gravitates.”。作者在第三章“The Basics of General Relativity”一節段末寫道：“The agent of gravity, according to Einstein, is the fabric of the cosmos.”一語道出重力的真諦，頗有畫龍點睛之妙。
時間與空間的扭曲、變形，乃至其他維度的蜷縮甚至消失，是弦論的重要論點之一。而重力又有「子」──重力的媒介──是怎樣的一個「迴路弦」，可能自由出入我們的宇宙等等希奇古怪玄之又玄的理論，使上世紀末才開始起飛的弦論，一躍而成為本世紀最具份量、最有希望的「宇宙終極理論」人選。慢慢地我們會逐漸瞭解，弦論如何調和互不相容的相對論與量子論，並試圖為這個玄奇絢爛的宇宙寫下一篇精美瑰麗的樂章。 |
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