知乎上涉及到相对论的问题,无论是狭义相对论还是广义相对论,都会吸引不少民科执着的参与,他们执着的反对着已经被确立了 100 年以上的科学理论——相对论。
就算是为了澄清乱象吧,我也要尽力参与进来,避免那些人把大家的认知搞乱。
一、“黑洞为什么会扭曲时间”这个问题有两处不够准确
1、被扭曲的不是时间,而是时空。
2、不是黑洞有什么特殊性导致其能扭曲时空,而是任何物质、能量都能够扭曲时空,无非程度大小而已。
所以,理论上,我们每个人都具有扭曲时空的能力,你站在那里,你身边的时空就发生了某种程度的扭曲;你的一举手、一投足,都会在时空中产生“涟漪”,物理上称之为引力波。只不过你产生的引力波太微弱了,人类还不具备测量这么微弱的引力波的能力。而黑洞则不同,它之所以被称之为黑洞,就是因为它已经高度扭曲了时空。
二、时空为什么就扭曲了呢?
其实,时空并不是一个看得见摸得着的东西,它的被扭曲和我们扭曲一块胶皮是不一样的。从现代物理学的角度来说,广义相对论所阐述的时空扭曲即可以被认为是一种“物理理论”,也可以被看作是一种“时空的几何模型”。
在物理上描述任何质点的运动状态的时候,都需要说清楚这个质点在什么时间处于什么位置,从而需要有四个参数来描述——(t,x,y,z)。这里面有一个是时间参数,另外三个是空间参数。狭义相对论基于“光速不变”这一物理事实告诉了我们,时间和空间参数是相互影响的。于是,在广义相对论中,我们把一维时间和三维空间放在一起来看待,称之为四维时空。
如果仅仅把描述方式改个名,那就没什么意思了,也不值得研究。可是,爱因斯坦在研究引力的时候发现,在仅仅需要考虑引力的茫茫宇宙中,任何物质——大到天体,小到尘埃——其运动状态都与其质量无关。例如,地球这么大的天体也好,我们人类个体也好,甚至是地球上的一例沙尘,只要它们的某个时刻的运动状态相同,那么后续的运动状态就都相同。地球在围绕太阳旋转,沙尘也在围绕太阳旋转,其质量上的巨大差异完全不会造成运动状态有任何微小的不同。
牛顿的万有引力理论在解释这个现象的时候,认为物体所受的引力与其质量成正比,而运动状态的改变量(加速度)与其质量成反比,从而消除了质量差异造成的影响。
而爱因斯坦则换了个角度看待这个问题。他认为“和质量无关”意味着“和物质无关”,那么运动状态只能与“四维时空”本身有关了。
基于这样的认知,如果四维时空是平直的,那么物体在时空中的运动应该是所说的“匀速直线运动”,其运动轨迹在空间中看来应该是一条直线。可是很显然,地球也好、月球也好、甚至是太阳也好,运行轨迹在空间中都不是直线。那么只有一种可能,我们的四维时空不是平直的。
三、那么时空是被谁搞扭曲了呢?
既然爱因斯坦认为四维时空不是平直的,那就要说清楚是什么把时空搞扭曲了,怎样定量计算扭曲的程度和相关规律。
这是一件非常难的事情。但是爱因斯坦在他的数学家朋友的帮助下,利用大数学家黎曼之前的成果——黎曼几何,终于解决了这个问题。今天,研究弯曲空间的黎曼几何也好,罗巴切夫斯基几何也好,都归并为现代数学工具“微分几何”。从而,我们可以用微分几何这门数学工具来表述、研究、计算广义相对论这门物理理论。
广义相对论告诉我们,是物质或能量(广义相对论中的能动张量)造成了时空的扭曲,而扭曲的时空又决定了其中的物质如何运动。
特别需要指出的是,正是因为四维时空以一体化的方式被扭曲,从而我们不能再简单地认为时间和空间截然可分。事实上,广义相对论告诉我们,时间和空间不仅是相对的,而且是人为定义的,如上图所示。这方面内容我再之前的回答中有过阐述,链接如下,供参考。
想请问一下各位大佬,按照爱因斯坦的设想,四维时空是绝对的吗?如果是的话,为什么?
这也是我前面说的“被扭曲的是时空而不是时间”的原因。
四、黑洞的特殊性
既然原问题是“黑洞为什么会扭曲时间”,那么还是要谈谈黑洞的特殊性。
虽然说任何质量、能量都能够扭曲时空,但是向黑洞那样把时空扭曲成“不可思议”程度的东西还是不多的。
以施瓦西黑洞为例,它的“视界”将全部的四维时空分隔成了两个部分,这两个部分甚至打断了我们通常所认知的时间的连续性。之所以黑洞在扭曲时空方面这么牛,是因为黑洞将质量集中到了非常小的区域。目前的广义相对论认为,黑洞将非零有限的质量集中到了无限小的一个点,这样才会造成如此严重的时空扭曲。
我原来写过两篇和黑洞有关的介绍性文章,列在下面供参考。