引力场是什么?时空又是什么?它们之间有何区别?

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图解:万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

在场模型中,不是两个粒子直接吸引彼此,而是粒子通过它们的质量来扭曲时空【从而实现两者互相吸引的表象】,这种时空的扭曲被视为一种“力”。在这样一个模型中,我们可以将引力现象视为物质在时空曲率的作用下以某种确定的方式运动的趋势,所以可以说本不存在所谓“引力”,或者也可以说引力本身就是一种假想的力。

图解:在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞(模拟图),背景为银河系

图解:相对论射流

直到20世纪初,人们一直认为宇宙的三维几何结构【以坐标、距离和方向表示的空间表达式】是独立于时间维度存在的。然而1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)基于两个假设创造性地提出了对狭义相对论:(1)在所有惯性系统中(即,非加速参考系)物理定律都是是不变的;(2)无论光源的运动如何,真空中的光速对所有观察者都是一样的。

图解:标准配置中两个参照系的伽利略图

图解:伽利略时空与速度组成

爱因斯坦把他的理论建立在动力学的基础上,他的理论是对洛伦茨1904年提出的电磁现象理论和庞加莱的电动力理论的突破。虽然这些理论包含了与爱因斯坦引入的方程相同的方程(即洛伦兹变换),但它们本质上是用来解释各种实验结果的特别模型,包括著名的迈克耳逊-莫利干涉仪实验,这些实验极其难以融入现有的范式。

图解:重力探头B证实了重力磁的存在。

1908年,曾是就读于苏黎世的年轻的爱因斯坦的老师的数学教授赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)提出了狭义相对论的几何解释,将时间和空间的三维空间融合成一个四维连续体,即现在的闵可夫斯基空间。这一解释的一个重要特性是对时空间隔作出了正式定义。尽管在不同的参照系中,事件之间的距离和时间的测量结果是不同的,但时空间隔是独立于观察它们的惯性参照系的。

闵可夫斯基对相对论的几何解释对爱因斯坦1915年提出的广义相对论的发展至关重要。在广义相对论中,他展示了质量和能量如何将这个平坦的时空弯曲成一个伪黎曼流形。


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