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木虫 (正式写手)

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专业: 宇宙学

[交流] 【交流】时空弯曲和牛顿力学已有1人参与

时空弯曲和牛顿力学
广义相对论引力理论和牛顿引力理论的重要差别是：广义相对论引力理论认为，不存在绝对时间和空间，万有引力的存在只是时空弯曲的体现。而牛顿引力理论认为，存在绝对的时间和空间，天体是在万有引力作用下在绝对空间中运动。
根据广义相对论，时空弯曲的程度是由物质的密度分布所决定的。物质密度大的空间区域，其时空弯曲大；物质密度小的空间区域，其时空弯曲小。在黑洞存在的区域，由于物质密度非常之大，其时空严重弯曲，以致连光子都无法逃脱这个时空严重弯曲的区域而形成黑洞。在宇宙其它绝大部分地方，例如在太阳（恒星）所处区域，由于物质密度远没有黑洞的物质密度那么大，因此时空的弯曲很小，光子可以逃脱太阳所在的区域，不受限制的向外传播。但行星这样的天体却无法逃脱太阳系所在的区域，只能绕太阳转动。
在实际宇宙中，物质分布存在层次成团结构。天文观测表明，物质在不同层次成团结构中的密度是不一样的。尺度越大的层次成团结构，其物质平均密度越小。根据广义相对论物质的密度分布导致时空弯曲的引力理论，尺度越大的层次结构其时空弯曲效应也越小。在恒星际和星系际空间，由于物质平均密度非常之小，时空的弯曲效应几乎可以不加以考虑，因此由恒星和星系发出的星光在恒星际和星系际空间传播的路径几乎就是直线，这是光学天文观测存在的基础。但在太阳附近的区域，由于太阳引起的时空弯曲虽然很小，但要比恒星际和星系际空间大，这样天文学家才有可能在日食时观测到由恒星发出的星光在经过太阳边缘时发生微小弯曲。
当引力场很弱时，时空弯曲非常微小，引力场可以用平坦时空上叠加一个‘经典场’来描述。牛顿引力定律就是这种情形。在太阳系这个层次上，牛顿引力定律已经可以以很高的精度描述行星的运动，说明在太阳系所在的行星际区域，时空的弯曲已经足够的小。在尺度更大的宇宙层次上，物质的平均密度更小，时空的弯曲应当更小。因此没有考虑时空的弯曲的牛顿力学应当能够精确地描述天体运动，怎么可以认为在宇宙学研究中牛顿力学失效，无法用它进行宇宙学研究？现在拥护标准宇宙学模型的学者也承认，现代精确的天文观测也证明，在宇宙尺度上，时空是平坦的。
有人认为广义相对论本质上是引力理论，也有人认为广义相对论本质上是时空结构理论。其实两者是从不同角度来看问题。我认为广义相对论本质上应当是时空结构理论的说法更合理。现在我们已经知道，相互作用除了万有引力之外，还有电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。这些相互作用产生的力学效应都比万有引力强得多。这些相互作用产生的力学效应，当然也要引起时空弯曲，而且要比万有引力引起的‘时空弯曲’要厉害得多。时空弯曲是通过四维时空‘度规’来描述。虽然爱因斯坦自己没有进行的强相互作用和弱相互作用方面的研究，但是由广义相对论发展起来的，用时空‘度规’来描述相互作用的理论在这些研究领域中发挥了重要作用。因此在小木虫网站上有网友认为，与“相对论”作对，就是与整个物理学界作对，与整个受到了无数实验验证并已经转化为生产力的现代物理及其应用学科作对。
爱因斯坦虽然是从对牛顿万有引力理论的不满意出发，发展出广义相对论，但当他企图把广义相对论用到宇宙学研究时，爱因斯坦并没有取得成功。最初是爱因斯坦在用广义相对论引力方程研究宇宙学时引进了宇宙学常数，后来又自己宣布放弃宇宙学常数。虽然现在又有人要把宇宙学常数重新请回到广义相对论引力方程中，但对宇宙常数的物理解释和爱因斯坦的初衷完全不同。广义相对论的天文验证虽然是成功的，但这些成功验证的例子都是宇宙学研究中的一些微小细节问题。有人认为是爱因斯坦开创了现代宇宙学研究的先河，但爱因斯坦在现代宇宙学的研究中并没有取得成功，其主要原因是爱因斯坦由于受到当时天文观测结果的限制，不知道银河系并不是宇宙的全部。在银河系之外还存在有许多其它星系，宇宙中物质的分布是存在层次成团结构的。因此爱因斯坦完全是凭自己的想象引进了不合理的宇宙学原理假设。正是这个不合理的宇宙学原理假设，导致了爱因斯坦在宇宙学研究中，没有取得成功，得出了一些不合理的结果。关于牛顿和爱因斯坦对宇宙学研究的贡献，可以从下面的诗句可以看出。
英国诗人Alexander Pope为牛顿写的墓志铭是：
Nature and Nature’s laws lay hid in night:
God said ‘Let Newton be!’, and all was light.
后来Sir John Collings Squire补充写到
It did not last. The devil, howling ‘Ho!
Let Einstein be !’ restored the status quo.
这些诗句的中文翻译有很多版本，特别是Sir John Collings Squire补充的部分，译文随译者的观点不同而有所不同。我的观点比较倾向于下面的翻译：

自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
上帝说：“让牛顿去吧！”
于是一切成为光明。
但不久，
魔鬼嚎叫：“让爱因斯坦去吧！”
于是一切又重新回到黑暗中。

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