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重力如何影響時間 ─ 你必須知道的廣義相對論﹝弦論一﹞
2009/07/20 10:20
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我們在【什麼叫做「光子在瞬間遍訪宇宙」?】一文中瞭解到,時間不是絕對的。每個物體有它自己的「時間系統」,彼此在相對運動狀態中的物體,會觀測到對方時間的「密度」和自己的不同。這是經過狹義相對論預測、實驗證明的結果。

前文也說過,狹義相對論和「靜止狀態」或「等速運動」有關,而廣義相對論和重力有關。重力就是加速度。加速度乘上物體的質量,就是該物所受的「力」。重力何以即是加速度,可以簡單說明如下。

我們如果站在一具火箭裡,火箭尾端的噴發量,可以用電腦控制、微調。在地表,物體所受的地球重力是「一個 G」,我們讓火箭的加速度﹝與上昇的衝力成正比﹞從零開始。當火箭上昇到重力為「2/3 G」時,我們讓加速度增強到「1/3 G」。當火箭上昇到重力為「1/2 G」時,我們讓加速度增強到「1/2 G」。當火箭上昇到重力為「1/3 G」時,我們讓加速度增強到「2/3 G」。最後當火箭遠離地球,重力為零時,我們讓火箭的加速度增強到「一個G」。然後一直持續這個G,不再改變。

如此一來,火箭裡的人,根本不會知道火箭已經昇空!他們腳下的感覺一如在地球表面,一切動作和在地表時並無不同,所有做的實驗,結果也和在地表時一樣。前文提過,這叫做「等效原理」。也就是說,重力等同於加速度。

加速度或「力」,會改變物體的「靜止」或「等速運動」狀態,使一個物體的運動越來越快。如果我們想保持前述火箭那一個「G力」,我們必須永遠一直加速下去。當然,這是不可能的,因為我們不可能加速加到高過光速。

還有別的辦法持續加速。

速度的改變叫做加速度。正加速度使物體越來越快,負加速度使物體越來越慢。速度不止是一個數值,它還有個方向,合起來叫做「向量」。改變速度可以在方向上下手。譬如說我們乘坐轉轉馬,繞圈圈時我們的速度「值」,也就是「快慢」並無改變,可是方向一直在變,這個變也是一種加速度。前面說,加速度乘上物體的質量,就是該物所受的「力」。我們事實上可以很清楚地感受到這個力──離心力──沒抓穩的話人會摔出去。這離心力的方向也和我們速度改變的方向保持一致:順或逆時鐘轉時,我們的方向一直朝圓心修正──是即加速度的方向──我們被往內「拉」。所謂離心力是此「向心力」的反作用力。

太空站如造成圓圈狀,在太空裡持續旋轉,太空人在裡面頭朝圓心腳朝圈外站立、行走,會感受到與在地表時一樣的「G力」──如果太空站旋轉的速率被精確控制好的話。

回到本文主題。在廣義相對論中,重力或加速度,和時間有什麼關係?

關係很大。

一如狹義相對論說,物體的相對速度差會影響它們時間的被觀測性質,廣義相對論也說,物體所受的重力會影響它們時間的「密度」。一個物體所受的重力越大,它的時間就過得越「慢」。

在此先預告一下:不止時間,廣、狹義相對論也說,空間也會受到等速運動或加速運動的影響。相對等速度差值巨大時,兩個物體會彼此發現,對方的一切線性度量,會在運動方向上被「縮短」──你我交錯對跑而過,我看你,你看我,兩人都變成「扁扁人」,而且這還不是錯覺。

廣義相對論說,所有一切物體都會將它自身附近的空間扭曲,越大的物體扭曲空間的程度越強。另一物體靠得越近,所受的影響程度也越大。

等一下,這聽起來是不是有點像牛頓的萬有引力定律?

事實上,廣義相對論對萬有引力的解釋是這樣的:大質量物體譬如地球,將自身周圍的空間扭曲的結果,使得小質量物體譬如月球,循著她自身原來的軌跡﹝一條直線﹞運行時,因為地球周圍的空間被扭曲的緣故,月球的軌跡經過此空間一帶時也跟著被扭曲成現在這個樣子──繞地球轉圈子。

黑洞理論大師約翰‧惠勒有一句名言:“Mass grips space by telling it how to curve, space grips mass by telling it how to move.”「物質告訴空間如何扭曲,空間告訴物質如何運動。」非常值得玩味。

所以萬有引力是什麼?重力或萬有引力,就是空間被物體質量扭曲後,對其他物體所造成的「影響」──你若感受到重力,你就是處身在被「產生該重力之物體」扭曲的空間附近。

本文不討論空間,旨在闡述重力與時間的關係。再一次,言歸正傳。時間和重力有什麼關係?

在物體附近的時間,和空間一樣,會被該物體的質量扭曲。空間的扭曲已經很難想像,時間到底要如何「扭曲」?

時間,簡單說,在離有質量物體越近的地方,會過得越慢。在太陽表面的時間,會「過」得比在離太陽十億公里處慢一點點──前者大約是後者的99.9998%。如果這個太陽死亡最後潰縮成中子星﹝詳參 中子星的顏色  再談中子星﹞,那麼該中子星地表的時間將「過」得比在離它十億公里處慢許多──前者大約是後者的76%。在超大型星體﹝數百千億倍大於我們的太陽﹞死亡後形成的黑洞﹝詳參黑洞宇宙不讓你知道的秘密﹞表面,一個叫「事界」的地方,該處的時間將會「慢」到對我們來說幾乎是靜止。也就是說,我們的一生,之於該處的人而言,只是一瞬;他們的一生,之於我們而言,幾近永恆。

吊詭的是,不論是他們或是我們,大家的「感覺」都一樣。我們自覺我們一生過了七、八十年,也差不多;他們自覺一生過了七、八十年,也還不錯。沒有誰自覺一生過得像永恆那麼久,或只一瞬間。

我們所在的這個宇宙,它的空間和時間,會受物體質量的影響而扭曲、變形、變密變疏、或濃或淡,並非一如我們習以為常的那樣固定、不變、無性質。不止質量會對時空造成影響,能量也會。愛因斯坦著名的質能互換公式告訴我們,能量即物質。重力也是一種能量──在高處的物體比在低處的同一物體具有較高的「位能」。所以重力對時間和空間造成影響應該不使人意外。重力是即能量,能量是即物質,物質產生引力,所以重力也會互相吸引,這話聽起來奇怪,確係事實,所以又說“Gravity gravitates.”。作者在第三章“The Basics of General Relativity”一節段末寫道:“The agent of gravity, according to Einstein, is the fabric of the cosmos.”一語道出重力的真諦,頗有畫龍點睛之妙。

 

時間與空間的扭曲、變形,乃至其他維度的蜷縮甚至消失,是弦論的重要論點之一。而重力又有「子」──重力的媒介──是怎樣的一個「迴路弦」,可能自由出入我們的宇宙等等希奇古怪玄之又玄的理論,使上世紀末才開始起飛的弦論,一躍而成為本世紀最具份量、最有希望的「宇宙終極理論」人選。慢慢地我們會逐漸瞭解,弦論如何調和互不相容的相對論與量子論,並試圖為這個玄奇絢爛的宇宙寫下一篇精美瑰麗的樂章。



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11樓. 小史
2012/04/10 15:29
10樓. joycelinlin愷悅
2009/08/04 09:22
影片

8/2,前日,剛過的星期天,臺灣的Discovery Channel有兩集"史蒂芬.霍金的時間簡史"(本月該有重播),講述"相對論"、"量子力學"、"空間扭曲"、"弦論"、"黑洞"、"粒子對撞"及其實驗等等。好奇卻困難明白它們的概念啊!

發現YOUTUBE有两淺小說及"相對論"及"廣義相對論":

相對論 http://www.youtube.com/watch?v=1u3wPNa27Vc&NR=1 

廣義相對論 http://www.youtube.com/watch?v=Jf4flblkjK8&feature=related

Joyce,謝謝妳,非常好的影片,我都不知 youtube 有這種東西。 GolfNut — 無心的邂逅2009/08/04 16:32回覆
9樓. SCFtw2
2009/08/04 09:08
蘇西坡〈起風波〉

.

頃見高小衲寒廬門楣高懸蘇軾〈定風波〉,乃憶昔有蘇西坡填〈起風波〉一闋,抄示小衲,可改懸之,較符小衲此生之實為偉大光榮正確之反面示範也。

蘇西坡〈起風波〉

又聽穿林打葉聲,止吟停嘯快快行。

竹杖拖鞋不如馬,真怕~~~荒煙淫雨過一生。

瑟瑟寒風吹酒醒,有病~~~塚頭斜照漫相迎。

回首向來淹禁處,歸去~~~東邊風雨西邊晴。

.

是你吧?西坡?

有才氣!

GolfNut — 無心的邂逅2009/08/04 13:01回覆
8樓. Jacques
2009/08/01 19:30
Pressure by Curvature
Everything gravites to the Spirit ... Sooner or Later ...
Unitary
time/space is malleable ...

Deep, deep stuff...

Thanks for coming, I went visit yours and found you full of love.  Must be a young, lovely mind.

GolfNut — 無心的邂逅2009/08/04 16:30回覆
7樓. Empty Traveler
2009/07/29 02:15
改變視野
量子力學早就忘了 但是它以一種新的方式描述我們熟知的世界
所謂"存在" 提供了新視野:

例如用力撞一面牆
以在分子結構分布上說明撞破的機率是多少
而不是"絶對的" yes or no;

我們理所當然以為的'存在'
畢竟不是那麼實在牢不可破的
所以
應該謙卑的再檢視自己對生命的每一種成見(或偏見)




穿隧效應是這個樣子的:

『在量子力學裏,量子穿隧效應為一種量子特性,是如電子等微觀粒子能夠穿過它們本來無法通過的「牆壁」的現象。這是因為根據量子力學,微觀粒子具有波的性質,而有不為零的機率穿過位勢障壁。

量子穿隧效應 (Quantum tunnelling effect) ,是一種衰減波耦合效應,其量子行為遵守薛丁格波動方程式。

理論上,宏觀物體也能發生穿隧效應。人也有可能穿過牆壁,但要求組成這個人的所有微觀粒子都同時穿過牆壁,其實際上幾乎是完全不可能,以至於人類歷史以來還沒有成功的紀錄。』

牆和人都不會破掉,只是要花非常長的時間。

GolfNut — 無心的邂逅2009/07/30 03:48回覆
6樓. SCFtw2
2009/07/24 10:50
還可以寫得更容易懂

I guess ~~~

.

我想只是難以接受而已,不是難懂。我如果敢「開講」弦論,遲早會有人來拆臺。可是我太喜歡這東西,多少年了你也知道,早晚非寫不可。

如果我每天說:「今天天氣哈哈哈」,絕不會有人來指責我冒充馮朋年,或氣象學家。因為天氣沒什麼好希奇的。

量子論比相對論還令人吃驚。同一章同一節我每看一次都要大吃一驚一次。我還在想如何交待隧道理論──我們穿牆而過的可能性不是零;還有一顆電子的所在位置是一種概率分配,而非絕對的「在這裡」,這樣子的事情。我從不寫量力的東西,那些東西講出來像在騙人。

GolfNut — 無心的邂逅2009/07/24 13:57回覆
5樓. 月下老人
2009/07/24 01:01
^^b
b
還沒玩過開心寶貝? 請加入月老社區,立即遊玩!!

請點上圖進入簡單註冊一下即可開始玩...^^b
這是興奮的表情嗎? 謝謝!   GolfNut — 無心的邂逅2009/07/24 02:14回覆
4樓. 盹龜雞~ 大梯田繡花球
2009/07/23 17:45
弦論

期待高老師來開講弦論  .

整理一下觀念:  高速物體上的時間  慢於低速物體

                          物質的質量可以生出重力  改變空間 改變時間 ~質量愈大 時間愈慢.

錯了請告訴我.

是高「加速度」。如果只是高「等速度」,誰也不知是誰在動,因為空間沒有標準,兩造相錯而過,我們可以算各動一半:你五十往東,我五十往西;也可以算你一百百往東,我靜止;或算我一百往西,你靜止。無論採取那一種觀點,我看你的時間慢了,你看我的時間也慢了,而兩人都對──這是最讓人難以接受的地方,但事實確是如此。在兩造中間的一看,兩人一模一樣。然而這三者的觀點都不一樣,三者卻也都對。

如左欲找右對質,或右欲找左對質,一個必須追上另一個,改變方向和速度──加速度就進來了──加速度越高,時間就過得越慢,等追上了就見真章。

加速度就是重力,所以待在高重力場有一樣效果。

一列高等速行進中的火車車箱,頭尾各坐一人,中央一顆燈泡。燈泡一亮。光同時到達二人──頭尾兩個都這麼想,而兩個都對。站在月臺上看的人,一致公認燈光先到車尾那個,然後才到車頭那個──因為車尾那人「迎上前去」,車頭那個「離光而去」。月臺上這些人也完全對。

相對論說,沒有什叫做「同時」這回事,所以先的不一定先,後的不一定後,同時也不一定同時。

GolfNut — 無心的邂逅2009/07/24 13:37回覆

3樓. 林秋玲
2009/07/22 08:30
牛的定律

秋玲//牛的定律
 
人心穿梭宇宙中  時間空間多迷濛
妄情離心風騷動  一關跨過一關重

天地萬物心力重  運用吸引力放空
輕重緩急適心從 迴旋人生瞬永恆

後記
 科學再發達 還是離不開道德倫理 
數理再迷惑 還是逃不開一顆心念

 哈哈 親愛的Golf Nut
你寫得那麼好   我卻用幾句話顛覆了
牛頓定理永垂不朽  哈哈 我只是牛 就當成牛的定律  



秋玲說得好。

科學是用,哲學為心。但哲學也並不輕鬆,必須大量、用力思索,還得有天賦才行。所以哲學也是一門辛苦的學問。

大哲學家康德對科學的看法是這樣的。這是我從危機百科節錄下來的,本想翻譯一下,可是實在有困難,就原文照刊吧:

"Pursuing metaphysics involves asking questions about the ultimate nature of reality. Kant suggested that metaphysics can be reformed through epistemology﹝知識論﹞。He suggested that by understanding the sources and limits of human knowledge we can ask fruitful metaphysical questions. He asked if an object can be known to have certain properties prior to the experience of that object. He concluded that all objects about which the mind can think must conform to its manner of thought. Therefore if the mind can think only in terms of causality﹝因果律﹞– which he concluded that it does  then we can know prior to experiencing them that all objects we experience must either be a cause or an effect. However, it follows from this that it is possible that there are objects of such nature which the mind cannot think, and so the principle of causality, for instance, cannot be applied outside of experience: hence we cannot know, for example, whether the world always existed or if it had a cause. And so the grand questions of speculative metaphysics cannot be answered by the human mind, but the sciences are firmly grounded in laws of the mind."

最末這幾句道出人類思想的限制。譬如「宇宙的時間開始以前是什麼」、「宇宙的空間外面是什麼」、「宇宙服膺因果律,那麼宇宙的初因是什麼」之類的問題,科學確實很難回答。我的前一篇文「不能正經」提到他讀過霍金教授的名著【時間簡史】。在那本書裡,霍金解釋時間開始的現象是某種 "smearing out" 的「點」,像北極,一個模糊不清地就出現了的一個數學上的「點」。這種解釋數學上容易明白,經驗上可不容易。

注意康德可沒說 "metaphysics cannot be understood by the human mind",他只說 "cannot be answered by the human mind"

GolfNut — 無心的邂逅2009/07/23 00:44回覆
2樓. 不能正經
2009/07/21 15:26
題外話

幾年前曾有一陣子思考到,物理常識的普及程度和人民邏輯思維能力是否有某種程度的關係...

接著一如往常喝酒,啥都忘了想...直到連看衲兄這兩篇...

不能正經,

弦論雖還在萌芽階段,卻已經相當重要。相對論已經一百歲、量子論也年輕不到那裡,這兩個互不相容的現代科學支柱,在各自的領域中堅若磐石,可是一定都有錯誤的地方,否則不會互不相容。還有就是,它們各自都無法獨立解釋宇宙開天闢地至今的一切、所有現象。多麼遺憾!

我非常希望弦論可以。否則將會失天下之大望。多少一代精英一股腦投身而入,幾世後發現一切「攏係假的」──太悲哀了。埋葬一生的心血,這麼多人的力氣,然後失敗?牛頓當時自以為對了,四百年後才有愛因斯坦證明真正的重力原理。弦論如果失敗,我看 2100 前是不會有可以取而代之的理論出現了。

可是我不以為弦論會在我在世時成功,太難了。還有一件重大要事就是核融合。前者將解決人類對宇宙的終極理解,後者將解決人類對能源的終極須求。二者都非常、非常之重要。

史蒂芬‧霍金曾感嘆,人生也有涯知也無涯,以他不世之大才,短短幾十年即將過去,而新一代的科學家,縱然可以繼續承傳薪火,也得從基礎開始學起。艱辛困頓啊!

GolfNut — 無心的邂逅2009/07/21 16:48回覆
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