物体落地,非因“重力”,广义相对论另有解释?
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发布时间：2024-10-23 04:40
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时间：2024-11-14 18:45
原问题：广义相对论如何解释物体落地的原因?
自由落体和最大原时
我们对物体落地非常熟悉，但对其原因却不太了解。我们常会提到“引力”，但那不过是基于牛顿经典物理学观点而言。
在广义相对论中，我们将下落中的物体视为无外力作用的物体（当然我忽略了空气阻力之类的东西）但却沿着时空中“最直”路径移动。在正常空间中，最直路径即是两点之间最短的路径，在平面上它其实是一条直线，在球面上则是一个大圆，例如赤道。
在时空中，距离这回事有点不同：现在两点还只是空间中的点，但在时空中，两点（也称为“事件”）之间最短的路径是一条贯穿时空的路径，例如物体在时空中可以移动的路径。两个事件之间时空的间隔大小能被计算。在这里起决定性作用的是，只有一个，也就是在广义相对论中，两事件之间最直接的连接是粒子穿梭所花费时间最长的连接。
为什么时间要尽可能长呢？原因有二：根据狭义相对论，球运动地越快其时间流逝地越慢。在正常速度下这个影响很小，不过也会导致一个以5米每秒的恒定速度运动的球，时间流逝会慢约0.14飞秒，飞秒是千万亿分之一秒——影响极小！
此外，还有第二个效应：根据广义相对论，时间在高海拔地区（离地球更远的地方）流逝得稍微快些。海拔为零地方过一秒种，在海拔为五米的地方则会多过0.55飞秒。
现在，这两种效应共同使得下落的球速度越来越快。在没有重力时间膨胀效应的情况下，时空中两个事件之间最直联系就是速度恒定的路径。因此，正如牛顿第一定律所言，不受力物体会匀速运动。当然，除非时空是弯曲的。如果只有这种效应（重力时间膨胀），那么球在第一个2.5米内的速度当然最好尽可能的慢，因为它在更高的地方，时间流逝得更快。但既然两者都有影响，我们就必须把两者都考虑进去。所以球应该运动初始时慢一些，之后快一点，这样就可以在两种效果之间做出妥协。
下落中的球的世界线是一条抛物线，这你可能在物理课上学过。那时人们告诉你的是有关“重力”和“加速度”的东西—— 事实上，球只是沿着时空中原时最大的那条线运动，因为这是最直的一条线。
广义相对论，也被称为相对论或相对理论，是1915年爱因斯坦发表的几何引力理论，为目前现代物理学对引力的描述。广义相对论概括了狭义相对论，完善了牛顿的万有引力定律，将引力统一描述为时间和空间（或说时空）的几何性质。特别是，时空的曲率与物质和辐射的能量和动量直接相关。对这种关系的详细表述即为爱因斯坦场方程，一个偏微分方程系统。
广义相对论的一些预测与经典物理学的预测很不相同，特别是在时间流逝、空间几何形状、自由落体运动和光的传播方面。这些差异的例子包括引力时间膨胀、引力透镜效应、光的引力红移和引力时间延迟等。广义相对论对经典物理学的预言在迄今为止的所有观测和实验中得到了证实。虽然广义相对论不是唯一的重力相对论，但它是与实验数据一致的最简单的理论。然而，仍有一些悬而未决的问题，最基本的问题是广义相对论如何与量子物理定律相协调，从而产生一个完整的、自洽的量子引力理论。
爱因斯坦的理论具有重要的天体物理学意义。例如，它暗示了黑洞的存在——空间和时间被扭曲的区域，没有任何东西可以逃脱，包括光——可能是大质量恒星的终极状态。有充分证据表明，某些天体发出的强烈辐射是由黑洞引起的。例如，微类星体和活动星系核分别来自于恒星黑洞和超大质量黑洞的存在。光受引力的弯曲会导致引力透镜现象，即在天空中可以看到同一遥远天体的多个图像。广义相对论还预测了引力波的存在，引力波后来被物理学合作组织LIGO直接观测到。此外，广义相对论是目前不断膨胀的宇宙的宇宙学模型的基础。
广义相对论被广泛认可为一套精妙绝伦的理论，也被描述为现有物理理论中最为完美的理论。
作者: Toni Sementana
FY: G. S. Lestrange
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