播報文章
科學聚焦發(fā)布時間: 11-0621:49
愛因斯坦的廣義相對論是建立在幾何語言上的物理理論，其主要內容就是物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。
雖然看上去只是簡單的一句話，但是它合理地描述了引力現(xiàn)象，顛覆了牛頓的時空觀和引力理論。時空自此之后被作為一種實體對待，愛因斯坦的這一認識受到了數學家閔可夫斯基的影響，愛因斯坦曾經了解過他的數學理論，把時間和空間連一起來作為一種實在的實體。
閔可夫斯基的數學是完全建立在彎曲時空幾何上的，在這個奇妙的時空中，那些看上去不相等的線段卻是相等的，三角形的內角和也會因為時空的彎曲不再等于180度，圓形也是一樣，當把它放進彎曲的時空中時，會發(fā)現(xiàn)奇怪的事情發(fā)生，圓的原半徑R不再等于周長C除以2倍圓周率。
如果去考察一個轉動的圓盤，就能很好的理解這一切。有一圓盤的轉動速度為V，我們推理下這個圓盤在速度的作用下會產生怎樣的幾何性狀的改變呢？
一個半徑為R的圓盤，在靜止的時候，對圓盤的周長進行測量后，會發(fā)現(xiàn)圓盤的半徑和周長的關系為R=C/ 2 π ，而當圓盤以速度V轉動的時候，你站在圓盤之外，再次考察圓盤的周長時，卻發(fā)生了變化。
為了便于區(qū)別，這次測量的周長定義為C ' ，你會發(fā)現(xiàn)測量的結果R≠C '/2 π ，發(fā)生這種現(xiàn)象的具體本質是怎樣的？
要了解這一種現(xiàn)象，需要借助于愛因斯坦所創(chuàng)立的相對論去解釋，圓盤在旋轉的過程中，圓盤的半徑R不再嚴格等于圓的周長C除以2 π，這是否意味著空間發(fā)生了彎曲呢？
如果認為圓盤在旋轉的過程中R≠C'/2 π 是由于空間彎曲所引起的，那么這種認識就是錯誤的。圓盤在旋轉的過程中，可以說沒有發(fā)生任何彎曲，這是因為圓盤的半徑R始終垂直于速度V的方向，根據愛因斯坦的相對論空間的尺縮效應只發(fā)生在與速度方向平行的方向上，由此可知半徑R并沒有發(fā)生任何變化，因此圓盤在轉動的過程中，空間并沒有發(fā)生彎曲。
圓盤的半徑R沒有發(fā)生變化，考慮圓盤的周長發(fā)生改變造成的R≠C '/2 π 這種行為，這意味著在對靜止的圓盤和對運動的圓盤的周長做考察時，位于圓盤之外的觀測者，在圓盤靜止時所測得的圓盤周長并不等于圓盤在運動時所測得的周長。
由這個公式我們可以得到一個新的周長C’ ，如下：
我們從中可以顯而易見的看出R≠C '/2 π ，公式中多了一個洛倫茨收縮因子，這是導致圓的幾何性狀改變的主要原因。
對于這個結果，我們也可以理解為圓的周長沒有發(fā)生變化，空間發(fā)生了彎曲而造成的。
在旋轉的圓盤上，還會引起另一種效應，時間彎曲，愛因斯坦創(chuàng)立的相對論告訴我們，時間在速度的作用下，會發(fā)生膨脹效應，膨脹效應的顯著程度和速度有直接關系，其關系表達式如下：
做勻速圓周運動的圓盤，其角速度ω不發(fā)生變化，因此時間膨脹變成一個和半徑相關的現(xiàn)象，時間隨著圓盤半徑的不同流逝的速率也不一樣。
我們可以選取三只構造完全相同的時鐘，設定好相同的初始化時間，這三只時鐘在圓盤上隨著半徑的方向依次排開，圓盤以某一速度旋轉一段時間后，你會發(fā)現(xiàn)這三只時鐘的時間都不相同，距離圓心越遠擺放的時鐘，觀測到的時間流逝就越慢，距離圓心越近的時鐘，其時間流逝的越快。
轉動的圓盤就像是一個反向的引力場，因為任何放在圓盤上的物體都會受到一個離心力的作用，如果反過來，就是半徑越小，時間流逝的越慢，離圓心越近，意味著引力場越強，進而我們可以得出結論，引力可以時間變慢。
我們曾經做過這樣的實驗，在地球上，準備了兩個銫原子鐘，一個放在離地球的表面上，一個放在為5000米的高山上，經過一年以后，會發(fā)現(xiàn)位于高山上的那只要慢一些，盡管這種效應很微小，但是確是存在的。
這說明了在強引力的地方時間流逝的很慢，一個很鮮明的例子就是當宇航員進入黑洞視界后，時間基本上停止了，出現(xiàn)時間凝滯現(xiàn)象，如果這名宇航員有幸活著，他的一切包括心臟的跳動，新陳代謝等等都會進行的十分緩慢，生命也會被無限延長。
因此，愛因斯坦認為時空被周圍的物質彎曲，行星的運動只不過是在彎曲的時空中沿著最省能量的最短線運動而已，引力的本質被愛因斯坦的廣義相對論揭示了出來，不過這樣的理論當時只有極少數人理解，隨后經過一系列實驗，才證明愛因斯坦的引力解釋是正確的，其中光線經過彎曲的時空改變路徑就是很經典的一次實驗觀測。
