同样,如果同一时刻两点的空间坐标分别是 x1、 x2 ,那它们之间的距离一般也不会是 x2-x1。
其实这个几何是允许任意坐标变换的,物理规律不会变。
可以类比这样一个例子:中国的世界地图总是以中国为中心,而美国的世界地图则以美国为中心。这就是一个所谓的坐标变换,尽管地图看起来有所不同,但它们反映的都是同一个地球。
因此,坐标本身不再具有直接的物理意义,但是两点之间的距离或经过的时间是重要的,并且是这个几何图形上的度量结构决定了这些量。在经典牛顿的时间空观中,度量结构是绝对的和超越的:在空之间的度量是欧氏的,如果已知两点的坐标,它们的距离由勾股定理给出;当时间均匀流逝。无论万物在哪里,无论是动是静,他们都感受到了同样的时间流逝。
广义相对论的核心——爱因斯坦引力场方程——就告诉我们物质的分布和运动是如何影响时空的度量结构的。
现在,时间和空不仅是万物运动的舞台,也参与了宇宙的演化。因为物质的存在,时间的度量空不再是欧几里得的。比如你画一个半径为r的圆绕着太阳转,严格来说,圆的周长不是2π r。
时间的流逝也受到了太阳的影响,在太阳表面附近的钟会比远离太阳的钟走得慢一点。根据相对论的计算结果我们可以校准卫星上的原子钟和地面上的钟,对精确的GPS定位是至关重要的。
那么物质是如何在弯曲空中运动的呢?
我们知道在没有引力的平直时空里物体做匀速直线运动,也就是说它的世界线是一条直线。所谓世界线,就是物体的四维坐标 划过的一条线。因此即使是一个静止的物体,它也划过了一条平行于时间轴的世界线。
在弯曲空中,直线应延伸到测地线,即连接两点的最短直线。这里的最短指的是度量结构确定的四维时间空距离,而不是通常意义上的空之间的距离。引力之所以“万能”,是因为它本质上是时间空:在纯引力的作用下,一切都在时间上跨越了测地线空。
因此可以用一句话概括广义相对论:
物质告诉我们如何弯曲空以及如何移动。
这句话正是抛出“Black hole”的约翰. 惠勒所说的。如果我们知道宇宙目前的物质分布,解出了爱因斯坦场方程,那意味着什么?那意味着我们知道了宇宙时空的整体历史,一个完整的四维几何体。
由于某种原因,我们无法接收到未来的信息,也无法回到过去,所以我们感受到了时间的流逝。但如果广义相对论的想法最终是正确的,那么正如爱因斯坦所说,“过去、现在和未来的区别只是一种顽固的幻觉”。
恒星的末日
太阳已经稳定了50亿年。
在古人眼中,太阳东升西落照耀大地,这本身就是万古不易的真理,因此古代神话往往赋予太阳神至高无上的地位。但是现在我们知道,太阳的运行也只是更加宏大的自然规律的体现,在宇宙中每时每刻都有很多恒星诞生,也有很多恒星死亡,这只是平常不过的事情。
那我们就来看看明星在辉煌的人生之后会如何收场吧。
太阳目前正处于所谓的主序星阶段,内核的氢元素在稳定地聚变成氦元素。聚变释放出的高能辐射产生很大的压强抵抗住了引力,这就是恒星结构保持稳定的原因。
然而,热核燃料总有一天会耗尽。在星星的晚年,经过一系列的挣扎和反击,一切尘埃终于落定,死亡慢慢降临。
像太阳这样的小质量恒星最终将演变成白矮星,半径缩小到原来的1/100,内部的核反应已经终止,仅靠残存的热量发光。随着它的慢慢冷却,白矮星最终变成了冰冷暗淡的黑矮星,湮没在无边的宇宙中不为人知。
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