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相對論的入門問題(中)『空間篇』

作者:小鍾│2010-08-26 21:39:27│巴幣:0│人氣:1100
 
 
1. 重力的由來?
 
       1915年,愛因斯坦發表「廣義相對論」,描述重力的產生是由於物質的分布而彎曲了附近
的空間結構。當另一物質在此彎曲的結構中運行時,它的行進行為、路徑受到彎曲空間影響。
 
                                                       
 
 
        我們把黑洞的彎曲程度用模擬圖表示,會形成上圖,當物質沿著光線前進時,其所在空間被黑洞彎曲,〈可以把光線當成水管來看,物質就像小水滴在水管中行走,小水滴在水管中都是一路往前進〉,因此即使直直走,最後也會進入黑洞,旁人感覺好像一個物體受到某種力量拉進黑洞,實際上是因為空間彎曲,物質才進入黑洞。
 
       宇宙中像恆星般的巨大質量,附近空間會形成彎曲,星體在外太空中前進,除非進入星系或恆星的空間彎曲範圍內,否則它將直線前進。物體以高速前進時,受空間彎曲會偏離原路徑。當物體以低速接近此星體時,將會成橢圓軌道而繞此星球運行。更慢的物體靠近時,則可能會直接撞擊這星體。
 
        這可以用一個圓弧凹槽當模擬,當彈珠以高速通過凹槽時,彈珠不會陷進凹槽,但是彈珠移動方向受到改變;當彈珠以低速通過凹槽,彈珠會陷進凹槽,並且剛進入凹槽時,還會在凹槽內繞圈,就像地球繞太陽一樣。而愛因斯坦的空間彎曲就是這樣的情況。
 
 
 
2. 牛頓的萬有引力也有考慮質量,但牛頓並沒有說空間會彎曲,那有矛盾嗎?
 
       沒有矛盾,如果質量不夠大,如地球〈也就是空間彎曲不夠大〉,則結果與牛頓的萬有引力定律結果幾乎一樣。但在較強的空間彎曲中,可以有相當的不同。
 
        19世紀初,在愛因斯坦理論尚未完善之際,當時最困擾科學家的就是水星的運動,無論多詳細的考慮各種情況,都無法用牛頓的理論找出水星的運動軌道。
 
       愛因斯坦完成了理論之後,第一件事就是計算水星近日點的「進動」值。以牛頓理論來算,把各種因素都考慮進去,得到每百年5556.5秒,與實際觀測值每百年5599秒。差了42.5秒。愛因斯坦用其彎曲空間計算,得到每百年5599.5秒,差了0.5秒。這使愛因斯坦非常高興,他1916年寫信給朋友說:「我有好幾天為之狂喜不己。」。
 
 
3. 光線會受重力影響嗎?
 
答案是會的,以下圖做個簡單解釋。
 

 
       如上左圖,當遠方的星星發出的光,受到重力影響而抵達我們的眼睛時,我們的眼睛會以為光是走直線,因此會看到星光形成一圈光環,形成上右圖的影像。此外,本來應該被大型星系擋住的星星,也可以觀測到。
                                                          

        環繞中間紅色星系的四個影像,是位於其後的同一個「似星體」所發出的星光,可能有人會問按照理論應該是形成一個光圈,但宇宙中仍存在許多不發光的行星,部分影像是被行星擋住的。
 
 
        早在1916年,一群科學家於一次日全蝕的前夕,拍攝了一組夜晚的群星相片,次日在逢日全蝕的時候,在同一地又拍攝這組群星相片。發現第二張照片的星星位置已經移動了。也就是說,原本以日蝕時無法見到太陽後面所擋住的星光,但仍觀測到這顆星星,印證光線受重力影響。
  
       這也是印證愛因斯坦空間彎曲的一項證據,在19世紀初,當時是認為光是一種能量,不受重力影響,但由1916年的觀測結果發現光受重力影響,證明愛因斯坦的空間彎曲理論的合理性,雖然這不完全正確,但一個學說必須要先受到人們重視,才會有後續更多人投入,使其理論更加完善。
 
 
 
4. 愛因斯坦說空間是彎曲,為什麼我們感受不到?
 
       我們看得到面〈二次空間〉的彎曲,因為我們生活在三次空間。生物如果生活在二次空間的話,那麼牠便看不到面的彎曲。
 
        用地球當近似例子,對生活在地球上的人,都活動在地表那一層,生活的感受地球是平的,好像活在一個平面上,我們感覺不出這個平面是彎曲,但實際上地球是圓的,人們只要一路向東直線走,最後會回到出發點。當然這只是近似例子,畢竟科學尚未發現活在二次空間的生物。
 
        以此類推,唯有生活在四次空間的生物,才看得到空間的彎曲,生活在三次空間的我們,當然看不到空間的彎曲。
 
 
 
5. 那什麼是蟲洞呢?
 
                                                   
 
        蟲洞是愛因斯坦空間彎曲的一種,蟲洞和黑洞一樣,都是把四周的空間扭曲,形成漏斗狀。與黑洞不同的是,一旦進入黑洞便永遠被困在裏面,而蟲洞則是雙通的,你可以從宇宙的一端進入,然後從宇宙的另一端鑽出來,如圖所見。
 
        假設我們都是活在曲面上的生物,因此上方平面要沿著直線走到下方平面,要走好一段距離,但是經由蟲洞,可以大幅縮短距離,就走到下方平面。只是這段原本的距離,可能相隔好幾十光年。
 
        不過這只是狹義的蟲洞,在極大重力下,時間也會改變的,就像黑洞附近的時間是不同的,廣義的蟲洞連時間都受到影響,也就產生所謂時空旅行的可能。
 
        但愛因斯坦理論的蟲洞是轉瞬即逝,快到想通過的人還會夾在洞口,而且理論上蟲洞比原子還要小億萬倍,小得不能用。若人類想用它來穿梭時空,就要想辦法拉開和固定洞口,並且延長蟲洞存在的時間。
 
 
 
6.那實際上有可能利用蟲洞做太空旅行嗎?
 
        愛因斯坦提出「負質量」這抽象概念,黑洞是物質相吸的『正』特性,極不穩定,除非找到有負質量的物質,才能製造一個較久的、較穩定的蟲洞。
 
        負質量是存在的,美國政府位於新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市的實驗室,成功證明「負質量」存在於現實世界。此外美國華盛頓大學維瑟教授的研究團隊,發現負質量可以用來控制蟲洞。他們指出負質量能擴大原本細小的蟲洞,使大到能讓太空船穿過。
 
        他們的研究結果引起NASA的興趣。NASA正考慮撥款贊助相關研究,希望令蟲洞能實際用在太空旅行之上。也就是利用蟲洞進行太空旅行是有可能的。

 
 
 
PS. 目前科學普遍認知光在靜止時,是沒有質量的,但在運動時是有質量的。
 
PS. NASA太空船飛到太陽另一側,量測由加州太空研究站發射到太空船,再返回地球所需的時間。證實了太陽引起周圍時空的彎曲,使無線電波也被彎曲,因此需要比直線往返更長的時間。這項研究刊載於2003年9月25日的《自然》雜誌。

 
                   http://www.phy.ncu.edu.tw/dcc/History/7Einstein.htm
 
引用網址:https://home.gamer.com.tw/TrackBack.php?sn=656822
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留言共 1 篇留言

我最強
呃…您的文章讓人易於理解,是篇好文!可是……怎麼找不到“下”?可惡,想看啊

07-28 23:39

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