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解密暗物质29-时空观-相对论时空观

已有 301 次阅读 2024-1-19 20:38 |个人分类:我独醉|系统分类:科研笔记

相对论时空观

以绝对空间作为度量运动的参照系，或者以其他绝对匀速运动的物体为参照物，惯性定律才成立。即不受外力作用的物体，或者总保持静止，或者总保持匀速运动，这一类特殊的参照系，被称为惯性参照系。任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参照系的数值是不同的；长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯参照系同时发生的两个事件，相对于其他的惯性参照系也必定是同时的。另外，牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求。正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念怀疑的起点。如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的，这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而，相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即绝对速度在原则上是无法测定的。莱布尼茨、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。到了19世纪末，奥地利物理学家马赫分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观，不同意把惯性看成物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。

爱因斯坦认为牛顿的时空观有局限性，牛顿绝对时空的观念通常是宇宙中任何事件都发生在空间的某一点、时间的某一时刻，而这一时刻到处是一样的。爱因斯坦认为存在是四维的，是在合并三维空间和一维时间的混合的四维时空中的存在，而不是一个三维存在再加上它在时间上的演化。爱因斯坦的光速绝对性原理迫使空间和时间相混合。根据爱因斯坦的理论，四维时空连续统一体中的任何物体都与相互紧密连接在一起的维共存。

爱因斯坦相对论时空观的主要内容如下：

1．相对性原理：狭义与广义相对论认为物质在“时空谱”中的运动规律对惯性系和非惯性系的运动形式是一样的。

2.利用迈克尔逊光速不变试验，提出在相对性原理中“光速不变性”绝对性原理，受闵可夫斯基四维统一时空的影响，提出时空合并混合统一的绝对时空谱，其中提出“质量与能量等效性”原理。

3.由于以上“时空谱”观念的提出，相对性原理与光速不变性两条原理发现牛顿时空谱所提出的牛顿运动三大定律与万有引力定律存在缺陷。因此，出现爱因斯坦提出的空间收缩与时间膨胀问题，爱因斯坦强调“同时性”是相对的。

4.爱因斯坦发表的狭义相对论，说明时空的本质可以通过它的度规结构来理解。度规是一个抽象的基本概念，它是与宇宙的几何结构联系在一起的。这种度规结构与任何观测者无关。这样的性质满足相对论的需求，可以确保物理定律的成立与速度和位置无关。1907年，爱因斯坦提出等效原理，认为引力和加速度是等效的。时间和光线的轨迹都要被引力弯曲。时空弯曲的程度，是由宇宙中物质的分布决定的。一个区域内的物质密度越大，时空的曲率也就越大。这样太阳附近的时空就要比地球附近弯曲得厉害，因为太阳的质量要大得多。广义相对论的宇宙中，引力已不再像以前所理解的那样是一种力，它已经被转化到时空的几何(曲率)中去了。用他的观念来看，引力产生于狭义相对论的平直空间到广义相对论的弯曲空间的转换之中。

5.为了提出引力场方程，爱因斯坦提出把加速度与引力等效性原理深入发展到“引力与时空弯曲(曲率)”等效性和“时空曲率与潮汐力(沿测地线)”等效性，即潮汐力与引力，引力与时空曲率等效性综合在一起。利用当时发现的黎曼几何(流形)结构和张量计算。时空被认为是一张平展的橡胶软垫，大质量的物体放上去，会使橡胶软垫发生局部变形，变形的程度取决于物体的质量；行星可以用大小不等的球来代表，这些球在橡胶软垫上围绕太阳滚动，球滚动的路径也就是行星的轨迹(测地线)。它们都位于太阳附近的深“阱”之中。从树上掉下来的苹果，不是被一个力拉向地球，而是由于曲率变化使它滚进地球所造成的局部时空的“阱”里面罢了。因此，在所有的惯性参照系下，牛顿的引力定律都是相同的。利用爱因斯坦场方程、时空弯曲(曲率)定律：粒子沿时空的测地线运动，它们被推进或拉开的速率正比于它们之间方向上的曲率大小。虽然，在不同方向参照系中你测量的质量密度将不同于我测量的质量密度。同样，你测量的三个时空曲率之和也将不同于我所测量的曲率之和。然而，测量的曲率之和正比于所测量的质量密度加上测量的压力3倍。在这个意义上，爱因斯坦场方程在每个参照系中都是一样的，它服从爱因斯坦的相对性原理。因为相对性原理，高速运行的物体永远无法达到光速，就会产生空间收缩和时间膨胀，进一步与引力问题结合而得到爱因斯坦场方程，并通过数学计算，解释了光线被太阳偏移和行星的轨道运动。而且爱因斯坦还预言了黑洞、引力波、时空奇点的存在。