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重力如何影響時間 ─ 你必須知道的廣義相對論﹝弦論一﹞
2009/07/20 10:20:40瀏覽42683|回應11|推薦102

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 G」時,我們讓加速度增強到「1/3 G」。當火箭上昇到重力為「1/2 G」時,我們讓加速度增強到「1/2 G」。當火箭上昇到重力為「1/3 G」時,我們讓加速度增強到「2/3 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  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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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=GolfNut&aid=3149217
 引用者清單(1)  
2009/07/22 08:56 【mauin秋玲 馳騁寬闊的願景】 牛的定律

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浮生
等級:8
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Re
2009/07/20 23:47

吾友夜安

感謝分享

收獲甚多

祝福順心

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2009-07-21 12:01 回覆:
謝謝小民,物理造福人群,知道越多越好。
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