从自由落体理解空间弯曲

tuenhai.com 20180211

相对论是引力相对论

tuenhai.com :如何计算引力导致的时空效应?在爱因斯坦之前,这是个旷世难题,因为你根本无从着手。还好出现了爱因斯坦这位天才,他分二步帮我们解决了这个问题:

  • 光速不变,那么时间必然是相对的,而且运动的物体必须在运动的方向上空间收缩,这就是狭义相对论的

    爱因斯坦纯粹依靠推理得出这样的结论,即使想做实验验证当时也没有这样的条件,爱因斯坦坚信自己的推理是正确的,他相信宇宙是讲理的,只要推理过程正确,那么结论必然是宇宙的事实。他这是对人形神赤裸裸的否定,他眼里没有随心随欲的神明的一丁点的位置。他这样的想法其实是冒了很大的风险,万一宇宙有一丁点的随意性,那么他的推理就可能失败

    在此 tuenhai.com 多说几句,有的人总是喜欢宣扬爱因斯坦信教,还有哪个某某著名科学家信教。他们理解不了科学的意思是什么,科学是从理性的角度认识宇宙,宗教是幼儿园水平的对宇宙的随心随欲的解释,二者是对立的关系,一切科学家事实上做的都是反宗教的事情,如果宇宙可以从理性的角度认识,那么人形神就失去了存在的价值。即使科学家的话中出现了“上帝”这个词,也不见得是教徒眼中的上帝。如果是有点知识,并且有点骨气的教徒,应该抵制一切科学的东西,重新回到丛林中生活。用宗教的敌人来证明宗教的合理性,怎样的奇葩才会做出这样荒唐的举动呢!

    除了压宝宇宙以理服人的风险,爱因斯坦还有第二个风险,他是以光为连接者来分析物体的运动,这样的分析适用于人类这样的视觉生物,如果宇宙没有视觉生物,或者宇宙没有发光的恒星,狭义相对论效应是否还存在?实际上狭义相对论应该从引力速度不变推导而得,只是引力速度恰好等于光速,才使爱因斯坦的推导误打正着。从此可见,天才除了天才,还得有天才般的运气加持才行

  • 引力和无引力下的局部自由落体惯性力等效,这为我们分析引力的时空效应开启了一扇窗户

    于是就可以沿用狭义相对论的同样思路来分析自由落体的加速度运动,只是自由落体的运动速度是个随时间变化的过程,要得出通用的计算公式需要用到较深的数学知识,爱因斯坦为此特意付出了几年时间的努力

    可见,无论狭义相对论,还是广义相对论,都是关于引力的理论,相对论的完整名称应该是 引力相对论

从自由落体的石头理解空间的收缩

tuenhai.com :前面我们曾经分析过,一座500米高的山,山顶的钟走得快些,山脚的钟走得慢些。住在山顶的人和山脚的人相比较,理想条件下,山脚的人寿命会长些

那么是否不能住在500米的高山上呢?不见得!住在山脚的延长寿命的效应极为微弱,你完全可以忽略不计。所有这些,我们是通过两处位置的速度差计算出来的,速度决定了钟走得慢还是快,速度也决定了寿命长还是短

速度不但决定了时间,也决定了运动物体在运动的反方向上空间收缩的程度。现在问题来了,你怎么计算住在山脚的人的空间收缩程度

Don:上次我们计算过了,从500米山顶往下扔石头,石头最后的速度是 100米/秒,于是可以用这个速度来计算住在山脚的人的空间收缩的程度

tuenhai.com : Don ,如果我从1000米高的山上往下扔石头,那么石头落地时的速度肯定不止100米/秒

Don:这个……我也可以从2000米、3000米……的高空往下扔石头,这下怎么办

tuenhai.com :你穿上喷气式智能飞行鞋,设定一个恒定的飞行速度,你在向上飞的过程中,你观察仪表上的输出功率,会发现功率越来越小,到功率接近0的时候,你往下扔一块石头,假设没有空气阻力,石头会以加速度向下自由落体,并且加速度越来越大,石头砸落地面时速度达到最大,测出石头的末速度就可以计算出石头的收缩程度

如果石头是长方形,长的方向就是加速度方向,石头在下落的过程中速度越来越大,你随着石头一起下落,你的目力够好的话就会发现石头的长度越来越小,在落地时石头的长度最小,现在你们应该明白了物体运动速度和空间收缩的关系

Don:物体运动速度越大,物体在运动方向上空间收缩越大,这个道理我懂了,不过空间收缩是什么样子的,我还不是很清楚

tuenhai.com :自由落体是个加速度运动,这就是说石头在飞行方向上的前端的速度比后端大。假设石头静止时的长度是10厘米,然后你用笔画成10等份,每份长度1厘米,从前端到后端,你分别标上序号:1,2,3……10。在石头前端朝地球下落过程中,石头整体长度越来越短,同时石头序号前面部分的格子总是比后面的格子收缩程度大

如果石头是匀速下落,石头整体长度也会变短,但是每个格子变短的程度是一样的

Don:我想象一下……现在有些明白了加速度下落的物体空间伸缩是怎么回事
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