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第8章

发表时间: 2025-01-18


广义相对论进一步深化了对四维时空的理解,将引力现象精妙地阐释为时空的弯曲。爱因斯坦提出,物质和能量的存在会使周围的时空产生弯曲,如同在平整的橡胶膜上放置重物,膜会因重物质量而凹陷。质量越大,时空弯曲程度越大。

在广义相对论的四维时空中,行星围绕恒星的椭圆轨道运动,不再是牛顿力学中简单的引力作用结果,而是行星在弯曲时空中沿着测地线(即四维时空中的最短路径)的自然运动轨迹。例如,太阳的巨大质量使得其周围的时空发生强烈弯曲,地球等行星就在这个弯曲的时空中沿着测地线运动,从而形成了我们所观测到的椭圆轨道。这种对引力本质的全新诠释,成功解释了许多经典物理学难以解答的现象,如水星近日点的异常进动。在牛顿力学中,水星的轨道应该是一个稳定的椭圆,但实际观测发现水星的近日点存在微小的进动,这一现象无法用牛顿引力理论完全解释。而广义相对论通过考虑时空弯曲,精确地解释了水星近日点进动的现象,为广义相对论的正确性提供了有力证据。

广义相对论还预言了许多其他重要的现象,如引力波的存在。引力波是时空的涟漪,当质量巨大的天体发生剧烈运动,如两个黑洞相互绕转并合并时,会产生强大的引力波向四周传播。2015 年,人类首次直接探测到引力波,这一重大发现不仅证实了广义相对论的预言,也为我们打开了一扇全新的观测宇宙的窗口。通过探测引力波,我们可以获取关于宇宙中最剧烈天体事件的信息,进一步深化对宇宙结构和演化的理解。

4.3 高维物理理论:探索多维宇宙的前沿征程

除相对论外,弦理论等前沿物理理论将维度拓展至十维甚至更高。在这些理论中,四维空间作为宏观可感知维度的一部分,与其他蜷缩在极小尺度下的维度共同构成了宇宙的基本结构。弦理论认为,宇宙的基本构成单元并非传统意义上的点粒子,而是一维