跳到主要内容

关于相对论没搞明白的问题

· 阅读需 5 分钟

最近我在准备公司每周的技术讲座,主题是相对论。狭义相对论相对直观,大学物理课上就学得差不多了。但一提到广义相对论,我就有些犯难,毕竟我不是物理专业出身,面对那些弯曲的高维时空,总感觉像是在雾里看花。

广义相对论告诉我们,所谓的万有引力其实并不存在,它只是时空弯曲的一种表象。质量使时空弯曲,而物体在这种弯曲的高维时空中沿着“直线”运动 - 只不过,这种“直线”在四维时空中看起来是弯曲的,于是我们误以为有某种力在作用。乍一听,这是一个很有趣的解释,但越琢磨,越觉得其中的细节让人困惑。

广义相对论的核心是,物体在弯曲的时空中沿“最短路径”运动。然而,这并没有很好地解释原本“相对静止”的两个物体如何会开始运动起来。比如,树上的苹果和地球在我们看来是相对静止的,那么苹果为何会掉落到地面上呢?

我能想到两种可能的解释:

其一是,还有一种隐形的“力”依然存在。即便万有引力本身被否定,但质量可能引发了某种类似于力的效果,导致物体间的相对加速度。尽管广义相对论否认了这类“力”的存在。

另一种可能是高维空间中的绝对运动。假设苹果和地球在更高维的空间中本身就处于运动状态,而它们在四维时空中的投影呈现出相互趋近的结果。这意味着四维时空里的“静止”只是一种表象,而在更高维度中,运动是绝对的。按照这种解释,四维时空中的相对运动与高维空间中的绝对静止存在某种对偶关系。这种解释违背了我们的直觉,因为它强行引入了一个难以验证的高维世界。

广义相对论强调质量会扭曲周围的时空,但没有进一步解释为何会扭曲。这似乎跳过了一个重要问题:既然质量能够弯曲时空,为何不能将这种现象看作某种力的作用?换句话说,是否可以重新定义“力”,将其视为质量对时空的某种直接影响?

根据广义相对论,运动中的质量会导致时空弯曲的变化,这种变化以光速传播,称为引力波。引力波携带能量,因此物质在运动过程中,即使未受外力,也会因辐射引力波而损失能量。这种现象让我想到一个有趣的推论:

如果物质的能量可以通过引力波传递给时空,那么时空本身是否也具有能量,甚至“质量”?如果时空具备能量,那么它是否依然只是一个“背景”?或者说,时空本身就是物质的一种表现形式,物质与时空的界限是否从根本上就不存在?

如果时空是无限的,所有运动的物体都会因引力波辐射逐渐损耗能量,动能趋于零,最终达到一种“绝对静止”的状态。这样的结局听起来颇具宿命感:运动本身终究会熄灭,万物归于静寂。如果宇宙是有限的,引力波在某种意义上可能达到一种平衡,类似于黑体辐射的状态。