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[交流] 宇宙学和时空弯曲

宇宙学和时空弯曲
爱因斯坦广义相对论的引力理论被许多人认为是把引力几何化的理论，物体之间的引力相互作用被认为是时空弯曲的结果。时空弯曲的程度是和物质的密度分布联系在一起。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。这平坦的时空可以用牛顿的绝对时空很好地加以描述。具体的数学计算也证明了，在弱场和低速的情况下，牛顿引力方程是爱因斯坦广义相对论的引力方程精度很高的近似。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。例如，当远处的星光经过太阳边缘时，时空弯曲的效应只能使星光的偏转大约1.7角秒。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。现代精确的天文观测也证明，在宇宙尺度上，时空是平坦的。这是拥护标准宇宙学模型的学者也承认的事实。
在实际宇宙中，除了白矮星和中子星所在的局部小区域，在宇宙其它大部分区域，‘弱场和低速’的条件总是可以得到满足。因此用牛顿引力方程完全可以满足对天体运动进行正确描述的要求。可是拥护标准宇宙学模型的学者们认为，在宇宙学研究中牛顿力学失效，无法用它进行宇宙学研究。这其中的原因主要在于，认为牛顿力学失效的学者在论证这个问题时，沿用了爱因斯坦的宇宙中物质是均匀分布这个‘宇宙学原理’假设。而实际宇宙中物质分布是有‘层次成团’结构的。考虑到实际宇宙中物质的这种分布形式，根本不存在牛顿力学失效问题。问题的关键是在这些‘层次成团’结构中，天体是在有心力场中运动。在在这些‘层次成团’结构中，爱因斯坦的‘等效原理’正好可以被用来建立起相应的近似‘惯性参考系’。
由此可见，所谓广义相对论的‘引力几何化’和‘引力相互作用是时空弯曲结果’这些说法只能在局部小区域内成立。在‘宇观’尺度上，宇宙的时空是平直的。牛顿引力理论完全可以用来进行宇宙学研究。这也是为什么牛顿引力理论仍然是现代天体力学不可动摇的基础。拥护标准宇宙学模型的学者之所以极力排斥牛顿引力理论，是因为无法直接从牛顿引力方程推导出宇宙膨胀的结果。而把宇宙学常数假设为0的所谓弗里德曼方程可以得到宇宙膨胀这个解。虽然现在学者们已经认识到，宇宙学常数不可能为0。为了解释所谓宇宙加速膨胀，学者们现在又把被他们抛弃的宇宙学常数请回来，并力图把宇宙学常数和暗能量，真空能联系起来。实际上宇宙学常数在数学上只是一个积分常数，物理上它是和天体系统的转动角动量联系在一起。假设宇宙学常数为0表示天体系统没有转动，在引力作用下，天体系统当然只能膨胀或者塌缩。宇宙学常数不为0表示天体系统有转动，天体系统当然可以既不只膨胀，也不塌缩。如同太阳系一样，保持稳定。
有一个有趣的问题是，拥护标准宇宙学模型的学者们知道他们无法完全否定牛顿力学方程的正确性。于是他们提出：牛顿力学方程只能适用于小范围的平直时空。对于大尺度的宇宙学研究只能用有时空弯曲效应的广义相对论。如同地球表面，在小区域的范围地面可以认为是平直的平面。但对整个地球表面来说，它是一个弯曲的球面。实际上对宇宙学研究，情况正好相反。在一个局部小区域，由于物质分布的层次结构，它的物质密度可以很大。因此在这个局部小区域内，时空的弯曲效应可以很大。但是对大尺度的宇宙空间，由于平均物质密度非常小，时空反而是平直的。现代精确的天文观测也证明了这一点。情况并不像地球表面，在小区域的范围地面可以认为是平直的平面。但对整个地球表面来说，它是一个弯曲的球面。因此在宇宙学研究中，牛顿力学方程的近似程度更高，广义相对论的弯曲时空效应更小。这也是为什么现代天体力学仍然以牛顿力学方程为基础的原因。
和宇宙学中的情况不同，在微观世界中，考虑到其它相互作用力场的存在，‘弱场和低速’条件已经无法得到满足。广义相对论的时空弯曲效应在微观世界中应当非常明显。因此在微观世界中的时空概念已经和宏观世界中的牛顿时空概念完全不同。目前流行的看法认为通常意义上的量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中，研究的方向是把量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中去。至于微观世界中量子效应和时空弯曲效应有没有其它更直接的关系，目前似乎还没有人进行研究。
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1楼2011-09-15 06:29:54
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