看不見 摸不著的時空如何彎曲?

時間 2021-05-06 18:53:46

1樓:林光爵

問:何謂彎曲?

答:必先定義剛直,才能定義彎曲。取一條縫衣線,兩端用力拉開,定義這條縫衣線為剛直。

問:縫衣線只是一維剛直,如何應用在二維平面?

答: 取兩條縫衣線A和B,拉緊再靠近,輕輕接觸於一點,產生了交點及交叉夾角。調整夾角,使交點兩側夾角相同,則稱兩線直互相垂直。

稱此交點為c,A線上一點為a,B線上一點為b, 古人關注此三點,發現

短邊平方 + 長邊平方 = 斜邊平方

這是剛直的特徵。

問:幾十公里寬的原野,其上方的空氣中有 e,f 兩點,如何測兩點距離?

答:(步驟1)拉緊縫衣線,沿著線磨製一條木尺,裁剪後大約手臂長度。再於 e 到 f 之間佈署很多個中途點,讓中途點之間夠近,可以用木尺量距。加總中途各段距離,可以得一總距。

(步驟2)任意調整中途點,使總距最短,這個最短距離就定義為這兩點的距離。注意這些中途點可以浮於地表上方,不必侷限在起伏不平的地表上。

問:幾十公里寬的原野上方空氣中有 e,f , g 三點,測其距,會得到什麼現象?

答: 若得到短邊平方 + 長邊平方 = 斜邊平方,則稱此地表上方的空間剛直,若沒得到,則稱地表上方的空間彎曲。

問:若三點非直角三角形,奈何?

答: 引用剛直世界才有的現象

邊1:邊2:邊3 = sin(角1):sin(角2):sin(角3)

若測量符合此現象,則稱此原野上空的空間剛直,不符則稱為彎曲。

問:彎曲的原因?

地熱說: 連線 e,f 兩點的路徑溫度較高,致量尺膨漲。

地沉說: 連線 e,f 兩點的路徑地勢下沉,致尺上原子鬆脫。

天然說: 看到的現象就是這樣,測量到的資料就是這樣,資料就拿去用,沒有力氣問原因。

2樓:Remarkable boy

這很簡單,比如以前的人來說,他們感受不到地球是圓的,你在乙個有曲率的曲面行走,但你無法察覺,換句話說,空間本身是有曲率的,但你感受到的就是空間的乙個微分,尺度相差太大

3樓:郭群

一.引子

曾經有個時期,小朋友們有很多自創的簡單遊戲可玩。其中之一就是彈珠。彈珠是乙個光滑的玻璃球,用手指彈出,給玻璃球乙個初始速度,玻璃球就會向前運動。

這種遊戲比較誰彈的準,彈的遠。如果在光滑而平坦的玻璃上,因為阻力幾乎為零,可以無限地滾下去,軌跡形成一條平直的射線。在這條軌跡上任選倆點,此倆點之間的線段,有兩個特性:

①他是這兩點之間最短距離;②不需要消耗能量,而從一點勻速運動到另一點。關於①大家心知肚明。關於第②點需要說明的是,如果走這條軌跡外的任何線路,都需要外力改變方向,需要消耗能量。

因此我們可以定義為:兩點之間最短距離的充要條件是,物體可以不需外力作用而從一點勻速運動到另一點。在平面幾何中,最短距離只有乙個。

二.正題

假設地球是乙個表面光滑的,每點到地心的距離均等,質量密度均勻分布的標準球體。任取球面一點,我們給彈珠乙個初始速度,彈珠會向前勻速運動,並最終滾回出發點。在彈珠執行的軌跡上,我們任選兩點,這倆點之間,不需要外力,彈珠可以從一點勻速運動到另一點。

如果你不相信這個結論,非要穿過地球內部,建個通道連線這兩點。那麼,我們分析一下,在這條通道中,從一點到另一點是否需要外部力量才能保持勻速運動。眾所周知,離地面越高,引力越小。

可是我們不一定都知道,離地心越近,物體受地球的引力也會有規律地變化,到地心點時,引力為零。知道這個規律後,我們的玻璃球,沿著地球內部通道,從一點執行到另一點時,所受引力不是均勻的,為了保持小球的勻速動動,我們必須通過外力,克服引力的變化。這樣的通道,不符合前面對最短距離的定義。

這種認識,在我們航空通道的選擇中,被廣泛地應用,選擇正確的航道,可以節省航空燃料。物理學家認為,在引力場的作用下,空間是彎曲的。在彎曲的空間中,公理、定理是與平面幾何空間中相異的。

黎曼是彎曲空間理論的集大成者。

4樓:鹽選推薦

在愛因斯坦終於找到通向廣義相對論的正確入口,也就是等效原理之後,愛因斯坦又花了幾年時間,才找到了廣義相對論的正確理論。

這個理論可以用一句話來總結:時間和空間是彎曲的。如果用兩句話來總結,該怎麼說?物質決定時空如何彎曲,彎曲的時空決定物體如何運動。

愛因斯坦是如何想到時間和空間是彎曲的?

我們用彎曲的面來打比方。比如球面,你拿乙個球面,在遠處,我們看到乙個球面,如果我們將球面放在眼前,只看乙個區域性,我們注意到,乙個很小的區域性其實並沒有那麼彎。這個區域性越小,那麼,它越不彎。

直到我們將區域性變得無限小之後,這個區域性無限接近乙個無限小的平面區域性。

現在,我們將很多很多無限接近平面的小區域性拼接起來,我們就得到乙個球面。當然,其他彎曲的曲面也可以這麼做出來,比如輪胎面以及其他更加複雜的面,比如,一張長滿青春痘的臉。

這種方法,其實是幾何學家發現的,這些有名的幾何學家,包括了高斯、羅巴切夫斯基以及黎曼。

到了 19 世紀中葉,德國數學家黎曼將這種研究曲面的方法一直推廣到任何維度的空間。其實,我們普通人很難想象乙個彎曲的三維空間長得什麼模樣,因為我們自己生活在三維空間中。但是,數學家可以用抽象的辦法來研究彎曲的三維空間,就是將無數個無限小的平坦的三維歐氏空間區域性拼接在一起。

當然,彎曲的四維空間、更高維的空間都可以這麼研究。

說了這麼多,那麼,愛因斯坦是怎麼想到彎曲的時空的呢?這正是他的等效原理的功勞。

什麼是等效原理:在重力場中自由下落的參考係裡,我們看到的物理學定律和狹義相對論中是一樣的。也就是說,乙個自由下落的人看到的時間和空間,就是狹義相對論中的時間空間,也就是閔科夫斯基時空。

愛因斯坦想到,閔科夫斯基時空就像沒有彎的空間一樣。但是,重力場中不同的地方,自由下落的參考係是不一樣的,很簡單,比方說,北京的乙個自由下落參考係,就完全不同於紐約的乙個自由下落參考係。愛因斯坦將這些不同的自由下落參考係稱為區域性慣性參考係。

因此,在乙個重力場中,有很多很多區域性慣性參考係,將這些不同的區域性慣性參考係拼接起來,我們不就得到了乙個彎曲的時空?這種做法,很像幾何學家研究彎曲空間的做法。

那麼,乙個物體,是怎麼在彎曲的時空中運動的呢?

5樓:野生年華

。。。大家說得太複雜了。

所有時空是由物質變化體現出來的。

因此時空上的彎曲就是指的是物質上的彎曲。

舉個例子,你往前面扔個球,結果那個球轉了個圈撞到你腦袋。

因此,在某個區域,所有物質按一定規則產生變形和位移,我們將這種區域稱為彎曲的時空。

6樓:AstroPunk

vczh的答案90贊,之前是這個冷門問題下的最高贊。所以,知乎使用者中有一部分真的是關注的人寫什麼他就贊什麼。

右側path是在沒有大質量物體情況下,左側則是在有大質量物體下。

這張圖的好像就給人了乙個暗示,三維空間的彎曲就是從右到左的這樣乙個變化。這樣說也不是不對,但並非沒有問題。這兩條光路,都是geodesic,所以在三維的視角下,什麼水珠的比喻,是完全不恰當的。

可以用圖畫出來的彎曲是在hyperspace的視角畫出來的,類似如下圖:

我一直極度反感在沒有數學推導的情況下,個別科普書啪地扔出來一張圖,告訴大家時空是這樣彎曲的。或許作者自己能看懂自己在說什麼,但是很多科普書讀者並沒有相應的物理背景。

更可恨的則是自己都不懂就出來瞎比喻的。

7樓:兆波

打個比方,我們的空間和時間好比一缸水,這缸水每個地方本來都是一樣密度的,完了啪扔進去一鐵球,鐵球會吸吸吸,把一部分水吸的向自己這壓縮,密度變大

8樓:森有暖樹

好多知識分子,我來說說我做過的夢吧

夢中,一群人在尋找通往異世的門,開著一輛速度我說不清是多快的車子,在乙個三叉路口,看樣子這個應該就是門,車子剛發動就能夠看到離它最近的女人身體產生了變化!她幾乎變白了!是整個人!

我一直相信我們的夢流通著另乙個世界,是那個世界的我們在經歷的事。

所以,速度達到一定程度的時候,時空會發生扭曲或者產生裂縫嗎?

9樓:

我理解是因為因為質量不均勻,所以空間並不均勻。

質量密度大的區域,空間密度小。

質量密度小的區域,空間密度大。

空間和質量的密度變化大概與時間能量什麼的有關。質量變化表現為能量?空間變化表現為時間?

質量密度不是質量空間比麼?空間密度又是什麼?空間質量比?鬼啊……我高中學這段時候理解不了,就是這麼腦補的。完全民科。

10樓:

桌布圖雖然很直觀,但有兩個地方是有誤導性的。

1,彎曲的是時空,不是空間。時空和空間的度規是不一樣的。

2,曲率是指內稟曲率,是不依賴嵌入的。你把一張A4紙掰彎了它的內稟曲率依然是零,但球面的內稟曲率就不為零。

這個回答下也能看到不少民科和強答啊2333

11樓:

先說結論:看不見的時空彎曲,是通過可以看到的時空中的物體體現出來的。

這個問題很好,然而用科普的語言回答起來卻很難。

看到其他答案,都說了傳統的科普書籍中的解釋方式會讓人迷惑。而用帶數學公式的方式來解釋,外行人基本看不懂,內行人直接學課本就好了。

其實,直接按照傳統的科普書上的理解,對普通人來說,是足夠了。

傳統的理解是什麼樣呢?

總結一下:

1.可以認為我們的時空就是一塊繃緊的布,上面放了重物,就凹陷下去了。這個凹陷的布就是彎曲的時空。

2.越重的物體,導致的凹陷越深。

3.時空彎曲和萬有引力,是同乙個東西的兩種不同的說法。你說物質存在導致時空彎曲,那就不談受力。你說物體收到了萬有引力,那就不談時空彎曲。

4.時空看不到摸不著,但是時空中的物體可以看見摸到。比如光走直線,然後時空彎曲之後,光在彎曲的時空中就沒走直線。

日全食的時候,可以觀測這一點。遙遠的星光,走過太陽附近,太陽附近的時空彎曲了,所以這時候星光和太陽不在的時候是不同的,星光也隨著時空彎曲了,成像就不同了。

5.注意第4點,說時空彎曲,就不說引力。也就是說,太陽周圍的時空彎曲了,星光彎曲了。

也可以說引力,就說太陽導致引力透鏡,星光被太陽的萬有引力吸引,所以彎曲了,這時候就不說時空彎曲了。

6.粗淺的去理解一下什麼是時空彎曲。那就是,因為萬有引力是和所有的物質都相互作用,並且引力質量和慣性質量比值恆定,導致我們觀察有引力存在的時空的時候,所有的物體都收到這個引力作用,那麼我們就可以說,這個引力不存在,而是時空彎曲了。

這樣描述,和用引力一樣。

最後,總結一下,看不見的時空彎曲,是通過可以看到的時空中的物體體現出來的。

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