引力导致空间弯曲的科学原理是什么

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引力导致空间弯曲的科学原理是什么

　　有很多的科学家都发现引力能够导致空间弯曲，这是怎么回事?下面为您精心推荐了引力导致空间弯曲的科学原理，希望对您有所帮助。

　　引力导致空间弯曲的原理

　　万有引力是牛顿的伟大发现之一，万有引力定律表述为：任何两个物体都是相互吸引的。引力的方向沿着两个物体之间的连线，引力的大小跟两个物体的质量乘积成正比，与它们的距离平方成反比，比例系数叫作牛顿引力常数，或者叫万有引力常数。

　　牛顿并没有告诉我们万有引力有什么更深层的起源，也就是说，牛顿认为万有引力是基本相互作用力。我们并不觉得这有什么奇怪，例如，电磁力就是电磁力，也不可还原为更加基本的力。万有引力定律十分强大，既可以解释地球上一切受到地球吸引的物体的运动，也可以解释天体的运动，例如地球如何绕太阳做椭圆运动，月亮如何绕地球做椭圆运动，还可以解释潮汐现象，可以解释银河系，星系团的结构和起源。

　　从牛顿到爱因斯坦之间的250年间，几乎没有人怀疑过万有引力定律，也没有人想修正这个理论。那么，爱因斯坦为什么要修改万有引力定律?是他发现有什么现象万有引力定律解释不了?还是有什么天体的运动规律突然偏离了万有引力定律?或者，爱因斯坦觉得万有引力定律背后还有更深的物理原因?

　　启发爱因斯坦寻找新的万有引力理论的动机有两个。第一个，他的狭义相对论某种意义上是麦克斯韦电磁理论需要的运动学。爱因斯坦狭义相对论的第一篇论文的题目就是《论动体的电动力学》，他想知道不同惯性系之间电磁学运动方程之间的关系。他发现在狭义相对论中，麦克斯韦方程在不同的惯性系里的数学形式完全一样。当然，光速本身也是麦克斯韦方程的结论之一，所以光速不变。因此伽利略相对性原理对于麦克斯韦方程是正确的。爱因斯坦将目光转到万有引力上时，问题来了。牛顿的万有引力是瞬时力，万有引力定律不满足狭义相对论中的伽利略相对性原理。这样，牛顿定律必须修改。

　　第二个动机是，为什么惯性质量与引力质量有关?这两个质量的起源完全不同。惯性质量在狭义相对论中等价于能量，而引力质量是牛顿为了表述万有引力定律引进的，不一定就是惯性质量。

　　爱因斯坦认为，要将引力与狭义相对论结合起来，不可避免地要推广惯性原理。他花了好几年一直没有找到出路，终于有一天，他兴奋地想到，惯性质量与引力质量相等是解决问题的关键。

　　为什么这个简单的想法是解决问题的关键?这是因为，如果引力质量与惯性质量完全相等，那么我们就会看到，在时空的一点附近所有的点粒子的加速度都是一样的。如果作为观测者的我们也有这样的加速度，那么依我们自己作为参照系，所有粒子都没有加速度，这不是一个局域的惯性系吗?在我这个自由降落的惯性系中，所有物理学定律和惯性系中完全一样。于是，我就可以原封不动地将惯性系中的物理学定律写下来。那么，在一个抵抗引力不做自由下落的坐标系中，物理学定律可以通过“翻译”自由下落的惯性系中的物理学定律得到。

　　由此，爱因斯坦想到弯曲几何的类比。取任何一个曲面，例如球面，在曲面上一个点的附近，曲面近似是平坦的，这个“附近”范围越小，几何就越平坦。整个弯曲面的几何是无数这种平坦的几何拼接成的，有点像足球，每一块缝制足球的五边形和六边形看上去并没那么弯，如果将这些小块皮做得更小一些，就更平了。现在，在引力场中，既然每个时空点附近都有局部惯性系，那么我们可以将无数局部惯性系“缝制”成一个弯曲时空。

　　惯性系确实是平坦的，因为根据爱因斯坦的观点，在惯性系中，最关键的不再是空间距离，而是“时空距离”，这个时空距离有某种绝对意义，如果我们从一个惯性系转换到相对匀速运动的另一个惯性系，这个“时空距离”不变，但空间距离不再有绝对意义。所以，爱因斯坦将弯曲空间推广为弯曲时空，他的场方程告诉我们时空的弯曲与能量以及动量有关。

　　我们很容易想象弯曲的曲面，这是因为我们可以在三维空间中直接看球面、环面等。当然，在数学理论中，数学家完全可以摆脱三维空间研究曲面，只要给出曲面上的长度度量，曲面的性质就决定了。类似两维曲面，我们可以想象三维弯曲空间，不必将三维弯曲空间放进四维空间或更高维空间中。空间弯曲，对于一个几何能力稍好的学生来说，并不难想象。最后，如何想象弯曲的时间空间?弯曲的时间还是好想象的，就是在不同的空间点，时钟走得快慢不一样。爱因斯坦的弯曲时空是现代万有引力理论。

　　引力的科学原理

　　引力是质量所引起的空间弯曲，运动力学第一定律：在没有外力的情况下，物体始终保持静止或匀速直线运动，假如一个小球在一个非常光滑的平面上由西向东运动，经过路线为A点——B点——最后到达C点，若在B点附近放下令一个小球事，就像在一块海绵上放一个球，那么这个球必然会挤压迫海绵使之成为以这个球为圆心的凹陷“等同于弯曲的时空”，当我们的主角再经过B点事会发生什么?它的轨迹经过凹陷处时会改变，向这个凹陷的中心偏移进而偏离原来的运动路线无法到达C点，若这个凹陷足够大或小球的初始动力不足，它就会围绕这个凹陷做一段弧形运动后最终被捕获!

　　同理，宇宙当中的曲线运动在四维时空中是直线运动(三维空间一维时间)

　　不同时空观下对于引力是什么的不同解释：

　　引力在经典物理学中被认为是宇宙中几大基本力之一，跟质量成正比、跟距离成反比。但在爱因斯坦的理论中引力已经不是一种基本力了，而仅仅是时空结构发生弯曲后的表现而已。而导致时空结构发生弯曲的原因就是巨大的质量。

　　举一个例子：太阳系内的行星围绕太阳运行，在经典物理学中的解释是因为行星受到了太阳的引力作用，而围绕太阳运行。

　　但如果运用爱因斯坦的理论，从根本上说就没有引力。行星在宇宙中本来应该在空间内作匀速直线运动(参见牛顿定律)。但由于太阳的存在，其周围的时空结构被太阳的质量压弯曲了，所以在一定范围内的行星就“被太阳俘获了”，在一个弯曲的时空内匀速直线运动就变成了匀速圆周运动，从而形成了太阳系。

　　具体到黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，科学家在解释这种吸引力的时候，把它的原因归结为空间弯曲。而造成空间弯曲的原因是黑洞本身的巨大质量。

　　所以说到引力归根结底是和质量有关，万有引力是把引力视为由质量引起的一种基本力，而爱因斯坦相对论则把引力视为质量引起的时空弯曲的.表现。

　　量子力学认为,引力是由于两个粒子交换引力子导致的。

　　空间弯曲的理论

　　爱因斯坦的推测

　　(是推测不是推论)引力质量为零的物体可能也会在引力场中做一样的加速度运动。理由如下：

　　从以上的论证中，我们看到引力质量无论取值多小，结论都一样，这自然让我们想到将结果推广到零引力质量。比方说一个引力质量为零的物体从恒星旁穿过时，我们判断它的路线也会发生弯折，按着和有引力质量物体一样的规律弯折。其实零和无限小之间本无明显的差距，为什么一个引力质量无限小的物体弯折而引力质量为零的物体不弯折，它们之间的弯折角度差竟能不依靠灵敏的检测就毫不费力地分辨开来?

　　广义相对论理论

　　广义相对论理论的解释是万有引力实际是另外一种现象的效果，这种现象是广义相对论的时空弯曲，在这种情况下，物体的运动均没有万有引力作用，取而代之的是自由运动或接触物体间受动量守恒、能量守恒等支配的受力运动。

　　其他理论

　　可能所有具有引力质量的物质有共同的起源。他们都由同一种基本物质构成，在这同一种基本物质中，引力质量和惯性质量的比值就已经确定了。于是由于两种质量的度量都符合线性性质(即两个物体放在一起的总质量总是等于两个物体分别质量的和，这一点并不是自然而然的，而是要经过实验验证得到的)，所有物质的引力质量和惯性质量就都成了同一比例。

　　按照以上的见解，我们上面的那个推测就不一定成立了，因为零引力质量的物体其引力质量与惯性质量的比值是不确定的。这等于说我们可能看到宇宙空间中有的物体丝毫不受引力的作用而直来直往。

　　思路

　　我们的思路已经比较明确，因为前面的讨论告诉我们，无论空间是平直的还是弯曲的，小质量物体经过时都会有弯折。而无质量物体的运行路线有两种可能：

　　说明空间一定是平直的，没有弯曲，把空间描述成弯曲的那是质量造成的假象。因为此时用空间弯曲没法解释。事实上当我们看到空间中任何直来直往事件时，都应该考虑是不是这种事情发生了。

　　不能否定空间弯曲的观点，也许爱因斯坦的对于引力的时空描述是合理的。大家就都没话可说了，佩服爱因斯坦去吧。

　　结论

　　光由光子组成，而光子就是我们想要找的零质量物体，这告诉我们为什么要用光做空间弯曲实验。从目前来看，光的日食观测实验是比较支持广义相对论的。

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