根據廣義相對論，物體為什麼會落地？

2023-04-01 03:32:14

最初的問題是:廣義相對論如何解釋物體落地的原因？

自由落體和最大黃金時間

我們對物體的著陸非常熟悉，但我們不太清楚原因。我們經常提到「重力」，但那只是基於牛頓的經典物理觀點。

在廣義相對論中，我們把下落的物體看作是沒有外力的物體(當然，我忽略了空空氣阻力之類的東西)，而是沿著時間空的「最直」路徑移動。在normal 空中，最直的路徑是兩點之間的最短路徑，實際上是平面上的一條直線和球面上的一個大圓，例如赤道。

在時間空中，距離稍有不同:目前，兩點只是空之間的點，但在時間空中，兩點之間的最短路徑(也稱為「事件」)是貫穿時間空的路徑，例如對象可以在時間空中移動的路徑。兩個事件之間的間隔空可以計算。在這裡起決定性作用的是只有一個，也就是說，在廣義相對論中，兩個事件之間最直接的聯繫是用最長的時間來穿梭粒子。

為什麼時間要儘可能長？有兩個原因:根據狹義相對論，球移動得越快，時間流逝得越慢。在正常速度下，這種影響很小，但也會導致球以每秒5米的恆定速度運動。時間會慢大約0.14飛秒，飛秒是十億分之一秒——影響非常小！

此外，還有第二個效應:根據廣義相對論，時間在高海拔(離地球更遠的地方)過得稍微快一些。零高度上的一秒將在五米高度上超過0.55飛秒。

現在，這兩種效果一起使落球越來越快。在沒有重力時間膨脹效應的情況下，在時間空的兩個事件之間最直接的聯繫是具有恆定速度的路徑。因此，正如牛頓第一定律所說，一個無應力的物體將以勻速運動。當然，除非時間空是彎曲的。如果只有這種效應(重力時間膨脹)，那麼球在頭2.5米的速度當然最好儘可能慢，因為它在較高的地方通過得更快。但既然兩者都有影響力，我們就必須把兩者都考慮進去。因此，球應該在開始時移動得更慢，然後移動得更快，這樣就可以在兩種效果之間達成妥協。

落球的世界線是拋物線，你可能在物理課上學過。當時，人們告訴你「重力」和「加速度」——事實上，球只是沿著時間空中原時最大的線移動，因為這是最直的線。

廣義相對論，也稱為相對論或相對理論，是愛因斯坦於1915年發表的幾何引力理論，它描述了現代物理學中的引力。廣義相對論推廣了狹義相對論，完善了牛頓萬有引力定律，並統一地將引力描述為時間和空(或時間空)之間的幾何性質。特別是，時間曲率空與物質和輻射的能量和動量直接相關。這種關係的詳細表達是愛因斯坦場方程，一個偏微分方程系統。

廣義相對論的一些預測與經典物理學的預測大相逕庭，特別是在時間流逝、空幾何、自由落體運動和光傳播方面。這些差異的例子包括引力時間膨脹、引力透鏡效應、光的引力紅移和引力時間延遲。到目前為止，廣義相對論對經典物理學的預測已經在所有的觀察和實驗中得到證實。雖然廣義相對論不是唯一的重力相對論，但它是與實驗數據一致的最簡單的理論。然而，仍然存在一些突出的問題。最基本的問題是如何使廣義相對論與量子物理定律相協調，從而產生一個完整的自洽的量子引力理論。

愛因斯坦的理論具有重大的天體物理學意義。例如，它暗示黑洞的存在-在空和時間扭曲的區域之間，沒有任何東西可以逃脫，包括光-可能是大質量恆星的最終狀態。有足夠的證據表明一些天體發出的強輻射是由黑洞引起的。例如，微型類星體和類星體分別來自恆星黑洞和超大質量黑洞的存在。光線在重力作用下彎曲會導致引力透鏡現象，即在天空中可以看到同一遙遠天體的多個圖像空。廣義相對論還預言了引力波的存在，後來LIGO直接觀察到了引力波。此外，廣義相對論是膨脹宇宙的宇宙學模型的基礎。