你真的理解廣義相對論嗎？它到底描述了一個怎樣的世界？

如何才能正確地理解愛因斯坦的廣義相對論 而他到底又描述了一個怎樣的事件 早在17世紀 牛頓在基於對物體運動合理的研究後 提出了著名的牛頓運動定律 如果一個物體的質量、初速度和初始位置 以及作用在它上面的力都是確定的 那麼就可以預言這個物體 在未來任意時間點的運動狀態 但問題是 該定律僅適用於小質量物體 在描述大質量天體的運動時 卻存在著侷限性 對此於1915年 愛因斯坦提出了 可以準確描述自由落體現象的廣義相對論 他認為宇宙中並不存在能夠遠距離作用的引力 而是其自身結構發生了扭曲 為了更好的理解物體間的相互吸引 我們通常將宇宙空間 想像成一個擁有彈性的二維平面 當我們將重物放置平面中 就會使平面發生變形 從而使其周圍的物體都推向中心 但或許你無法相信 就是這樣一個對廣義相對論最流行的演示 卻是錯誤的 首先 由於該演示表明了 大質量天體如同彈珠一樣 坐落在時空表面之上 但現實是 它們都屬於時空結構的一部分 只有將物體二維化 才能使其包含在時空平面之中 但這卻又存在一個嚴重的問題 此時的蘋果 看上去似乎是被引力向下拖拽 為瞭解釋這一現象 我們假設在一個球面上 有兩隻螞蟻同時向上移動 起初它們的移動軌跡是平行的 隨著不斷地繼續行進 球面的彎曲幾何 使它們最初的平行軌跡 最終在球體的極點相交 而在時空內部 也有著相似的現象 雖然物體間看上去是在相互吸引 實際上 它們只是在彎曲的幾何結構中 沿著直線運動 但這個二維的時空平面 似乎在朝向第三個維度發生彎曲 而在現實世界中 並不存在除時間和空間維度外的 其他維度 所以我們要從上方俯視 這個時空平面圖 並用網格來描述曲率 如此一來 就能完美剔除掉多餘的維度問題 當我們將此刻的二維平面 進行三維化後 便發現了另一個問題 在這個三維結構中 幾乎完全忽略掉了 最為關鍵的時間維度 雖然我們可以在其中的 每一個節點處添加時鐘 但由於每個時鐘的流逝速度各不相同 這仍然無法解釋物體下墜的原因 那麼我們又該如何完整地呈現出 真正的四維時空呢 此時我們需要將三維世界發生的事件 想象成二維空間的切片後 便會發現 雖然每一針中的蘋果 都處於靜止狀態 但時間的曲率 卻會使蘋果不斷地朝向未來演進 其時空的彎曲 也使得直線的方向發生了偏轉 起初的蘋果 僅擁有一個時間速度分量 隨著地球所產生的時空彎曲 則會將蘋果的時間速度分量 轉變為空間速度分量 最終產生了蘋果的下落現象 但由於時間不會停止流逝 因此我們需要將整個切片 合併成為一個包含著 不斷持續的時間曲率圖像 最終得到了這個迄今為止 最能正確解釋廣義相對論的 可視化圖像演示 其中 不斷收縮的網格 就是我們所說的慣性系 而最初的蘋果 也始終都在網格中保持靜止 並沒有受到任何額外的影響 隨著網格的不斷收縮 才會出現蘋果的下落現象 同時我們也會看到 正是由於地球表面 始終處於向外膨脹的狀態 使其和不斷收縮的曲率保持平衡 才沒有發生引力攤縮現象 最後 當我們側向扔出一個物體時 它會沿著網格內做直線運動 但隨著網格的不斷收縮 物體最終會被地球的方向拖拽 從而準確地描述了 所謂物體的慣性運動 一切天體的運行 甚至光線的軌跡 都只不過是彎曲時空 這一幾何性質的動力學表現而已 從此廣義相對論扶搖而起 愛因斯坦登上了物理學界的神壇 而他所創建的理論 也對整個人類科技的發展 打下了堅實的基礎