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时空弯曲和牛顿力学
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3秒自动关闭窗口爱因斯坦与关于维的科学
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|个人分类:|系统分类:|关键词:爱因斯坦 相对论 空间 时间 维
在前一篇约会的例子中，如前所述，必须同时约定会面的地点和时刻。
但是，即使约定了会面的时刻，
倘若【张三】和【李四】两人的【时间流】快慢不一致，那结果又会如何？
按理说，在这种情况，两人就难确保能够如约相会。
19世纪末以前的物理学家都坚信“不可能有这样的事情”
英国物理学家艾萨克·牛顿（）认为，“空间和时间都是绝对的，对于任何人，
空间标度和时间标度都是相同的”。
空间和时间不可能由于观测立场不同而有差别。在当时，这是物理学的基本常识。
然而，到了1905年，出现了一种革命性的理论，推翻了这种常识。
这就是出生在德国的物理学家阿尔贝特·爱因斯坦（）所提出的“狭义相对论”。
爱因斯坦认真思考了光的传播特性，结果提出，“任何人所看见的光的速度都是一定的，不会变化”。
这样，爱因斯坦经抛弃了牛顿的“空间和时间是绝对的”观念，
而大胆假定“在我们这个宇宙，只有光束是绝对的”。
按照这个假定进行推理，爱因斯坦最后得到一个惊人的结论：
“空间和时间会由于观测立场不同而伸长或收缩”。这就是狭义相对论。
这个理论预言，时间确实能够如像前面两人约会例子中设想的那样，
可以对于不同的观察者有所不同。
按照狭义相对论，时间发生伸长或收缩时，空间必定也要发生伸长或收缩。
换句话说，空间和时间具有不可分割的关系。
爱因斯坦经这样把宇宙所具有的三维空间和一维时间视为一个整体，
并称之为“四维时空”。
这里的“时空”译自英语“space-time”，是空间和时间的统称。
将空间和时间整合在一起，爱因斯坦提出“四维时空”
爱因斯坦在发表了狭义相对论以后，对自己的这个理论仍不满意。
这是因为，狭义相对论还无法处理牛顿所说的万有引力。
爱因斯坦继续研究，设法将狭义相对论推广使之也能够处理引力。
他最后所建立的理论不仅可以处理引力，而且还说明了引力的来源。
这就是爱因斯坦在1915年和第二年所完成的“广义相对论”。
广义相对论是用“四维时空的弯曲”（三维空间弯曲和时间变慢）来说明引力的作用。
比如说，关于牛顿的传说中“苹果掉落”这件事，广义相对论是以如下方式解释的。
“由于地球的存在，其周围的四维时空发生了弯曲。位于地球周围的苹果于是经沿着时空的弯曲部分像溜下斜坡那样向地球移动”。
那么，“四维时空弯曲”是什么意思呢？
在前面曾说过，直线和曲线都是一维的。还谈到，平面和曲面都是二维的。
那么不难理解，三维空间或四维时空也应该有“平直的”和“弯曲的”两种不同情况，
尽管想象弯曲的三维时空或四维时空比较困难。
四维时空的弯曲是引力的本质。
地球表面是一个二维球面。
但是，相对于我们人来说，地球是太大了，因此我们的感觉，地面就像是一个平面。
同样的道理，四维时空虽然是弯曲的，但是相对说来，这种弯曲程度是太小了，我们难以实际察觉到这种弯曲。
没有什么引力，有的只是“四维时空的弯曲”
利用“时空图”表示四维时空
用来表示四维时空的图解叫做“时空图”
在时空图上，三维空间被改画成许多二维平面，而时间轴就画在与这些用二维来表现的空间相垂直的方向。
“时间矢”的方向则是从下指向上。也就是说，规定时间从下（过去）向上（将来）流动来画出时间轴的指向。
在时空图上表现地球的公转运动，地球经应该是沿着螺旋线向上（将来）爬升。
这种“用二维面来代替三维空间的表现方法”也可以用来形象表示四维和四维以上的世界。
闵可夫斯基时空图上的四维时空
在狭义相对论中只有“光速”是绝对的。
德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（）以光速为绝对标准
设计出另一种表示四维时空的时空图，被称为闵可夫斯基时空图。
在闵可夫斯基时空图上，
设定时间轴上每一个刻度代表一年，
而其空间轴上的每一个刻度代表一光年（光经过一年所行进的距离），
于是光的行进轨迹在图上就是一个倾角为45°的圆锥。这个圆锥叫做“光锥”。
由于任何一种运动都不可能超过光速，“影响到现在的过去的一切事件”和
“现在将影响到将来的一切事件”全部位于此光圆锥的内部。
什么是狭义相对论？
从接近光速进行的飞船外部观察的情形。
位于飞船中央的光源在某个时刻向周围发出光信号。
从外部看，光信号先到达飞船的后端，要迟一会儿才到达前端。
但是，光速度对于任何人都是不变的（光速不变原理），
对于飞船内部的观测者，A和B应该同时，
“两方观测者的观测结果都是正确的”，这就是狭义相对论。
由此得到结论：飞船内部的时间标准和空间标准同飞船外部是不相同的。
“广义相对论”对引力作用的说明
按照爱因斯坦的广义相对论，在具有质量的物体周围，时空发生了弯曲。
两个具有质量的物体因时空弯曲而移动靠近，这就是引力。
天体质量越大，周围时空的弯曲也越厉害
具有质量的天体，周围的四维时空发生弯曲。
而且，天体的质量越大（严格说来应该是密度越大），周围时空的弯曲也越厉害。
大质量的恒星在其寿命即将结束前会发生收缩，变成密度无限大的“天体”，
使周围的时空发生极度弯曲。这就是黑洞。
那里的时空弯曲得太厉害，以至于连光也无法脱离引力的束缚而逃出。
弯曲空间的几何学
按照欧几里德《几何原本》建立起来的几何学只适用于平直空间，而不适用于弯曲空间。
适用于弯曲空间的几何学是“非欧几里德几何学”。
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牛顿和爱因斯坦万有引力定律并非完全正确？
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（原标题：牛顿和爱因斯坦万有引力定律并非完全正确？）
参考消息网站1月4日报道&美媒称，荷兰莱顿大学的玛戈·布劳沃很勇敢——如果你一举挑战爱因斯坦和牛顿的话，你必须得勇敢。据美国石英财经网站1月2日报道，布劳沃和她的同事们认为，牛顿发现并经爱因斯坦的相对论进一步扩展的万有引力定律并非完全正确。如果不证明她是错的，不仅会让那两位天才死不瞑目，而且会让暗物质显得毫无必要。为了弄明白是怎么回事，让我们重温中学物理。牛顿教导我们说，万有引力就是一种将地球与太阳，将太阳与银河系等等连在一起的力量。爱因斯坦教导我们说，引力非常强大，使质量聚在一起，而引力是时空弯曲的表现。这两种理论通过了大多数的考验。比如，牛顿的定律现在仍被我们用来做复杂的事情，例如计算在什么地方发射火箭才能将探测器送上一颗彗星。而我们每次在手机上打开地图应用程序都在应用爱因斯坦的定律。地图应用程序利用全球定位系统（GPS）技术帮助我们定位自己。然而，这些引力模型无法根据星系的估计质量来解释星系运动。事实上，相差之大让我们觉得不正常。所以，物理学家们认为，宇宙中一定还有物质，因为它与光不相互作用，所以我们看不到。科学家们称之为“暗物质”，而这就是布劳沃利用的牛顿-爱因斯坦铠甲上的小裂缝。布劳沃并没有另起炉灶提出一个全新理论。相反，她依赖的是阿姆斯特丹大学埃里克·韦尔兰德和魏茨曼科学研究所莫尔德艾·米尔格龙的研究成果。他们的理论著作认为，引力的作用比牛顿和爱因斯坦所描述的更强大，而且消失得更慢。为了检验这一引力理论，布劳沃对采集自2011年至2015年观测到的遥远星系的数据进行了分析。她特别关注每个星系可见盘面附近的区域。已知这一区域有一种所谓的引力透镜现象，即由于遥远星系的引力作用，我们观测的星系发出的光发生了弯曲。将观测数据与牛顿-爱因斯坦的预测进行对照时，物理学家们不得不引入“暗物质”并微调某些参数来确保完全吻合。韦尔兰德的引力模型与那些数据并不完全吻合，但要让它吻合并不需要借助暗物质或微调。这就是布劳沃在一份新研究报告中所说明的。该报告将发表在英国《皇家天文学会月刊》上。很多物理学家对她的发现表示怀疑：可能存在没有被抓到的致命缺陷。不管如何，要重新思考牛顿和爱因斯坦的研究成果，需要的远不止一篇研究报告。
本文来源：参考消息网
责任编辑：彭丽慧_NT5727
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　　原标题：爱因斯坦又对了：科学家发现引力波，人类终于听到“宇宙的声音”！　　
　　新的黑洞
　　引力波
　　（单位：太阳质量）
　　2月11日，在新闻发布会上，LIGO的联合创办者基普·索恩（前右）与雷纳·韦斯（前左）拥抱在一起。基普·索恩就是电影《星际穿越》的科学顾问兼制片人。
　　爱因斯坦的手稿。
　　“我们探测到了引力波。我们做到了。”2月11日，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）执行主任戴维·赖茨在华盛顿举行的记者会上宣布。接下来，是长久的欢呼、掌声和泪水……科学家们欣喜若狂，“科学粉丝”手舞足蹈，各大网上科技论坛等一片沸腾。
　　这是在爱因斯坦提出引力波的预言百年之后，美国科学家宣布，人类首次直接探测到了引力波。依照科学家的说法，这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。
　　那么，引力波是一种声音吗？能不能实现科幻作品里的应用？“带走”3个太阳质量的引力波来了，要不要害怕？那么费劲探测爱因斯坦一百年前预言的引力波，到底为什么？这项研究与中国的引力波探测工程“天琴计划”又有何异同？
　　引力波你听说过吗？
　　100年前 爱因斯坦的“理论构想”
　　1915年，爱因斯坦提出的广义相对论，认识到引力是一种非常特殊的相互作用。广义相对论论证的一个重点就是，引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文，论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。引力波最初只是爱因斯坦的一个理论构想，来源于方程式的推导，而非真实的实验观察。爱因斯坦认为，由于引力波太过微弱，它无法被探测到。
　　40年前 发现“间接证据”者获诺奖
　　1974年，美国物理学家泰勒和赫尔斯利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统PSR1913+16。观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。
　　这是人类第一次得到引力波存在的间接证据。泰勒和赫尔斯因此获得1993年诺贝尔物理学奖。
　　小说《三体》 “引力波天线”毁灭了外星文明
　　在去年荣获雨果奖的科幻小说《三体》中，主人公之一罗辑从三体人那里“敲诈”来一大神器——引力波天线，暂时拯救了几乎快要被灭族的人类。在小说中，引力波天线是一个巨大的圆柱体，有一千五百米长，横截面直径五十多米，拥有向全宇宙发射引力波的能力。它的职责是在三体人试图对人类进行攻击时广播三体星系的坐标，使得三体人被“黑暗森林”打击消灭。
　　电影《星际穿越》 主人公用它传信息拯救地球
　　在电影中，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为制造引力波效应，成功将信息传递，从而使人类得以解救。
　　“宇宙的歌响起来了，生生死死，正唱给你听，我们终于听到了宇宙的声音。”
　　在引力的世界中，我们的宇宙通常一片平静，直到北京时间日17点50分45秒。Bang！那一刻，在距离地球13亿光年之外，两个巨大黑洞发生了一次致命性的“亲密接触”，地球上的两个探测器同时探测到了宇宙深处的这一场引力风暴！
　　大发现
　　1、探测到引力波
　　黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。13亿光年之外两个黑洞合并所产生的时空震荡，首次直接被地球上的两个探测器发现。
　　2、双黑洞合并
　　这也是人们首次直接发现双黑洞系统——两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场“黑吃黑的火拼”。
　　什么是引力波？
　　在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害，光和时间概念都发生了改变。
　　如果你将时空看成一张大橡胶膜，把太阳和地球放上去——太阳的比地球质量大得多，造成的时空扭曲也更大，所以看上去，地球在绕着太阳旋转。按照广义相对论的思路，“引力”只是时空扭曲必然带来的现象。
　　“时空涟漪”版
　　起伏，震颤，波浪……你可以用各种各样的词形容这种“时空扰动”。换文艺点的说法讲，就是“时空的涟漪”，如同石头被丢进水里产生的波纹一样。
　　“星辰大海”版
　　如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。
　　引力波是一种声音吗？
　　宇宙以光的形式向人类传递了太多信息，如今引力波在时空中向我们传递着类似声音般的新信息。
　　“我们愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，”LIGO的数据分析专家魏因施泰解释说，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北指出，引力波也是一种机械振动，如同用非常大的能量，在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。
　　引力波是怎么被发现的？
　　日，激光干涉引力波天文台（LIGO）分别位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个探测器，探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。
　　探测器的L形测量臂（右图）很长，达到4公里，两个测量臂垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。
　　两个黑洞
　　怎么合并？
　　左图为两个黑洞相互绕旋慢慢靠近最后合并的全过程。
　　在合并过程中，黑洞周围的时空被剧烈扰动，最后以引力波的形式传播出去。据研究人员估计，这两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量，合并后的总质量是62个太阳质量，其中3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放，释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。
　　引力波能让科幻成真吗？
　　将揭开宇宙“最初三分钟”？
　　依照科学家的说法，人类探测到引力波，如同一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的新能力。相信人类会“听”到或“看”到更多的宇宙故事。探测到引力波，人们将能为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到更有力的证据。
　　广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。
　　不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。
　　星际通讯？星际穿越？
　　引力波是唯一可以在高维时空中传递的波。引力波的穿透能力比中微子还要强，它会不会像科幻小说《三体》中描述的那样，被人类用于星际通讯领域呢？
　　陈雁北教授说，引力波非常微弱，因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲，有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波，可望产生一种引力波放大效果，但实际上不太可能实现。此外，由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的，所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。魏因施泰则说，引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早，利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。综合新华社等
　　扬子晚报邀专家解析
　　爱因斯坦又对了！ 世纪预言完成最后拼图
　　引力波的存在，让爱因斯坦提出的广义相对论的正确性再一次得到了证实。100年前，爱因斯坦就在广义相对论的基础上提出了引力波的存在，并预言强引力场事件可产生引力波，比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。黑洞合并改变了周围的时空性质，引力波就是“时空的涟漪”。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。因此，本次“捕获”引力波，让科学家们十分振奋：广义相对论的最后一块“拼图”被拼上了。南京大学天文与空间科学学院王祥玉教授告诉记者，这将有助于科学家们更好地探知宇宙空间的秘密，认识天体的性质。
　　释放能量那么那么大
　　为什么找它找了100年？
　　和高冷的引力波相比，我们显然更加熟悉电磁波和光波。但引力波的产生显然和电磁波不是一回事。
　　南京大学天文与空间科学学院王祥玉教授告诉记者，产生引力波的“源头”是宇宙中的黑洞。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波。如本次美国科学家探测到的引力波信号，便是由于两个黑洞的“合并”而产生的能量。
　　在已经获知的信息中，引力波的能量被科学家们用“太阳质量”这一单位来进行衡量。
　　根据现在已有的消息，造成此次探测到的引力波是两个分别为29倍太阳质量与36倍太阳质量的黑洞，并合形成一个62倍太阳质量的黑洞。黑洞合并的过程中，有3个太阳质量被释放，这些能量以引力波的形式辐射出去。
　　不少网友因此形容，3个太阳质量释放的能量，“比数亿亿的原子弹同时爆炸”还要强的多，但也有人因此不解，“如此强大的能量，‘捕捉’应该唾手可得，为什么科学家还要花费这么大的力气呢？”
　　专家告诉记者，由于产生较强引力波的波源距离地球都十分遥远，因此能量传播到地球时变得非常微弱。“原子弹爆炸”也“减弱”成为了微弱的信号。因此从上世纪六十年代起科学家们就一直绞尽脑汁，想尽一切办法来“捕捉”到引力波的“踪迹”。
　　“先变高变瘦，再变矮变胖……” 当引力波袭来，我们会变形吗？
　　“如果一串引力波迎面通过你，那么变高变瘦对于你而言将不再是梦想。当然，变矮变胖也一样。在引力波的作用下，你会不断发生拉伸和压缩，你会先变高变瘦，再变矮变胖，再变高变瘦，再变矮变胖……”在一份网络疯传的引力波科普帖中，引力波能够改变人体的“高矮胖瘦”的“能力”让不少读者看得稀奇。
　　对此，南京大学天文与空间科学学院教授戴子高告诉记者，想要被引力波改变“高矮胖瘦”，除非站在黑洞的“洞口”。对于地球而言，引力波带来的影响微乎其微。
　　陈雁北教授说，引力波携带的能量很大，但实际对物质产生的作用却十分微弱，这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算，就会发现它不能挪动电荷，所以作用很微弱，“如果把时空类比为弹簧，那么一定是一个很硬很硬的弹簧，用很大的能量才能压动一点点。”
　　引力波注定要写进教科书 物理学公式因此会“革新”？
　　广义相对论因为引力波的存在而获得了再一次的“证明”，由此带来的“革新”是否会对其麾下的诸多基本定理和公式带来影响？中学课本里的“万有引力”等定律和公式是否会发生改变？
　　戴子高教授告诉记者，因为引力波给地球带来的影响极其微弱，因此“地球上的”公式和定理不会变，
　　魏因施泰认为，探测到引力波后，应将其写入物理课本，“孩子们应该知道这件事，睁大眼睛看天空。也许这离日常生活还很遥远，但我们需要好奇”。
　　中国科学家 提出“天琴计划”
　　此次美国科学家“捕获”引力波的项目，也有中国科学家参与其中。来自清华大学的科学家参与了本次引力波“追捕”的数据分析。
　　王祥玉教授告诉记者，中山大学发起了“天琴计划”，其研究重点便是引力波的探测。“天琴计划”中，中山大学拟组建研究小组开展我国空间引力波探测计划任务的预先研究，制定我国空间引力波探测计划的实施方案和路线图，提出“天琴”空间引力波探测计划，并开展关键技术研究。
　　陈雁北说，如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞合并，将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。其次，“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。
　　扬子晚报记者杨甜子
老板娘说，这两张国家主席习近平和夫人彭丽媛的年画今年卖得最火。小编拍照的功夫，就由两个人来买了。年画上习近平和彭丽媛挥手微笑，身后是9·3大阅兵盛况。
党员不能信教，本来是常识的事情，却有一些党员以公开、半公开的方式“突破”了，“有些人还认为，我已经从职务上退下来了，为什么不能信教？这些人没有想到，职务虽然退了下来，可党员身份可没有退。
允许地方电视台在除夕播出地方性春晚，既尊重了观众，也是央视自信的表现。这样的竞争，是不是更能相对端平春晚这碗水呢？
事实上，体制中人，不管年轻的还是年长的，“成大事”的终归不多，更多的是像你我一样，免不了要做小事做琐碎事的。在机关呆得越久，越是认同“欲速则不达”一语。}