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重力会影响光速吗?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-11-10 21:21:46

这个问题比看上去要复杂得多。仅仅说“不”并不是一个很有用的答案。毕竟,据说由于宇宙的膨胀,有一些遥远的星系正在以超过光速的速度远离我们。现在,他们不能移动的速度比光本身,因为物理定律那边应该是相同的物理定律在这里——这意味着如果光本身正在发出这样一个遥远的星系,离我们而去,光的速度将比银河系本身,这是反过来旅行速度比c。如果是这样那么光速不是常数,是吗?

那么在黑洞视界附近的光呢?我们知道,从理论上讲,从视界向外发射的光要花上无限长的时间才能逃脱(从外部观察者的角度来看)。它“卡住”在视界上。(但是一个掉进洞里的观察者会有不同的看法:对他们来说,光确实是以c的速度向外传播,但是视界也在以c的速度膨胀。)

为了理解发生了什么,你需要对狭义相对论和广义相对论都有所了解。

让我们从最基本的开始。速度是距离除以时间。因此,为了计算物体的速度,你需要一个坐标系,这样你就可以测量空间也可以测量时间。广义相对论,在某种意义上,都是关于坐标系统的。这就是为什么这个问题如此有趣。

让我给你们一个例子,关于如何测量坐标,使光速看起来不是恒定的。假设我们从一个坐标系开始,用K表示,在这个坐标系中光速在数值上等于1。给出每个点的坐标(ct, x, y, z),然后我们将坐标变换到一个新的坐标系K'。给定K中坐标(ct, x, y, z)的点在K'中的坐标(ct', x', y', z'),其中

ct' = ct
x' = x
y' = y
z' = A exp(z / B)

其中A和B是长度单位的常数。

现在想象一下,在K中,光在一个无穷小的时间间隔内,从起始点(0,0,0,z)到(c dt, 0,0, z + c dt)直线向上传播。在K'中,可以观察到光从(0,0,0,A exp(z/B))到(c dt, 0,0, A exp(z + c dt)/B))。因此,通过z'对z进行微分得到新坐标系中的瞬时速度:

v' = dz'/dt' = c dz'/(c dt') = cA/B exp(z/B) = cz'/B

换句话说,在K'中,你的位置越高,当光直接对准你时,光的速度就会越快!如果你把光直向上对准,它显然会加速。但如果你让光线直向下,它会渐进地接近z = 0。如果你把光对准x或y方向,它的速度很简单

v' = c.

所以在K中,光的传播被假设为均匀且各向同性,但在K'中,两者都不是!

现在,你可以反对它是愚蠢和不合理的,使用一个坐标系统,如K',在狭义相对论,你是正确的。我们现在正进入狭义相对论的核心。不幸的是,这个问题并没有经常得到仔细的探索,但是当我们说“在狭义相对论中光速是恒定的”时,这个问题对于理解它的真正含义是至关重要的。因为这个重要的狭义相对论假设被用来预测真实的、可测量的现象,如时间膨胀和长度收缩。如果这些现象确实显示出与狭义相对论的精确一致,那就意味着光速确实是恒定的;这反过来意味着有一些东西阻止我们使用非惯性系,比如K'。

K'不是一个合理的参考系因为它不是一个观察者在平坦空间中自由落体的自然参考系。作为一个观察者,我的自然假设是,我可以用米尺测量空间,我可以用钟表测量时间。所以我带着三米尺,并给米尺定位,让它们互相垂直。然后我声明我的位置是原点(记住,在我的参照系中,我认为我自己是静止的)我给我附近的点分配坐标,用这些三米长的棍子作为坐标轴。为了给远处的点分配坐标,原则上,我可以在空间中建立一个由相同的米尺组成的三维格子,每个格子点上都有6米的米尺。然后我拿了一堆相同的、同步的时钟,把它们分别放在格子里的一个点上。这是一张由泰勒和惠勒绘制的时空物理学图:

重力会影响光速吗?

现在我可以在任何地方测量时间和空间:空间坐标是由你必须在每个方向上穿过多少米来到达一个点决定的,时间是由事件发生时时钟上的读数决定的。

当我定义坐标系统在这种“自然”的方式,开始在平坦空间自由落体,通过发送光信号从一个点到另一个地方,我可以确定实验,光速是独立的源点,初始时间,目标点,最后的时间,旅行的方向,源的运动,运动的探测器。换句话说,我要构建的坐标系“自然”将是一个类似于K的坐标系,而不是K’。

狭义相对论的标准处理方法要求你通过想象助推继续前进。这基本上意味着你抓住一群米棍棒和时钟,并燃烧一些火箭燃料,现在你有一个恒定的速度相对于原点(见框K)。虽然你相对运动帧K,一个观察者总是认为自己是静止的,所以你可以想象构建一个网络米棍棒和时钟你周围,你认为自己是在原点。这样做之后,你会发现光速恒定,就像你之前在坐标系k所做的一样,这是一个实验可见的事实,也是狭义相对论的基本假设。由此我们得到时间膨胀,长度收缩,等等。

狭义相对论向你保证,你将能够以自然的方式构建一个像K这样的框架,它将拥有一个光速恒定的速度;此外,如果你在这样一个坐标系中从静止开始,然后加速,所以相对于它有恒定的速度,你以自然的方式构建你的新坐标系,它也会有一个恒定的光速。这一切都取决于以这种方式构建的框架;正如我之前指出的,像K'这样的坐标系光速不是恒定的。你们可能已经知道,像K这样的坐标系叫做惯性坐标系。光速在惯性系中是恒定的。不是在K'这样的非惯性坐标系中。只是在惯性坐标系中。

在狭义相对论中,惯性系的构造取决于空间是平的——当然,它是平的,因为狭义相对论不是万有引力理论。而时空的小区域确实非常接近平的——当然,除非它们靠近黑洞或其他密度极高的物体。这就是为什么狭义相对论是一个有用的理论。这对于我们的粒子物理实验来说已经足够好了,其中一些是迄今为止完成的最精确的实验。

我们已经看到,在平坦时空中,总有一些惯性坐标系,在这个坐标系中,光速是恒定的。确实,是有意义的使用这样的一个框架来做物理,因为它是一个免费的“自然”框架观察者在平坦的时空,而惯性框架——加速框架——自然加速观察员的帧,有空观察员在平坦时空不应该加速。我们可以用一个奇怪的坐标系让光速看起来不恒定,但这只是因为这个坐标系很奇怪。

现在想象你是一个在弯曲时空中自由下落的观察者。自由下落意味着你不受任何非重力的影响。请注意,在环绕地球的轨道上的太空站的宇航员正在自由下落,这就是为什么太空站内部看起来像一个惯性系,抛出的物体看起来像直线运动。(引力之所以特别,是因为等效原理:无论质量或成分如何,每个物体都能感受到相同的重力加速度。)

如果你试图按照同样的程序来构建惯性坐标系——用相同的米尺和相同的时钟组装一个网格——会发生什么事情会出错。一个四边形的角度可能不会增加到360度,所以我们试图构建一个由米尺组成的立方体格子的尝试就会失败。或者我们可以建立晶格,但是时钟在不同的点会以不同的速度运行!

在一个小的时空区域内,你就没问题了。但是区域越大,你观察到的平直的偏差就越大,你观察到的光速的变化也就越多。因为没有办法让所有的米尺对齐,让所有的时钟同步,所以就没有所谓的“自然”框架可以使用,不管你是自由下落还是受到(非重力)力的作用;你对坐标系的选择,实际上,是对点的任意坐标分配。所以很明显光速不可能是恒定的;这样的表述没有任何意义,因为你可以用任何你想要的坐标系,无论光速在一个坐标系中是什么,在另一个坐标系中它是不同的。不能构造一个“自然”的框架,也不能找到一个光速在全球恒定的框架,形成时空曲率概念的本质。

这就是为什么遥远的星系似乎在以比光速更快的速度远离我们:宇宙是弯曲的,它是如此之大,曲率的影响是显著的。星系可以独立地自由下落,但彼此离得越来越远——这只会在弯曲的时空中发生。如果光的速度是,当被观察到的光在近处的时候,那么我们不能期望它是,对于很远很远的物体,它是,那么远到曲率不能被忽略。这些星系的运动速度并不比光速快,因为在同一方向运动的光本身比星系的运动速度还要快。要建立一个在整个宇宙中光速恒定的参照系是不可能的。

然而,是否存在一种感觉,即光速在重力场中也是恒定的?是的,有。如果你足够近地放大,一个曲线流形看起来总是平坦的;同样地,如果你把注意力限制在一个足够小的区域,弯曲的时空看起来是平坦的。这就是为什么宇宙的曲率在我们地球的实验室里是看不见的。

当然,当我站在地球表面时,我注意到了由于地球引力场而产生的曲率,因为当我松开静止的苹果时,它会垂直下落。为了让时空看起来是平的,你的参照系必须是一个自由下落的参照系,就像太空站(之前考虑过的)。当太空站的宇航员将一个苹果从静止中释放出来时,苹果看起来是静止的。当然,从地球的参照系来看,苹果实际上是在轨道上运行的,但是采用空间站的参照系会使空间局部看起来是平的。

当你自由下落的时候,你带着一堆小米尺和钟,你可以在你附近建立一个非常接近惯性的参照系。当你这样做的时候,你会观察到光的传播是非常均匀的,各向同性的,就在你的附近。

数学上,光沿零测地线传播。零测地线是一条曲线,其每一部分的长度都由度规指定为零。

在平坦时空中,度规由diag(+1, -1, -1, -1)给出,这意味着当光在时间方向上以微小的增量d(ct)传播时,即空间距离。

也就是说光以c的速度传播。

如果指标不是闵可夫斯基度规,可以找到一个出本地惯性坐标系的坐标变换,指标的诊断接头形式(+ 1,1,1,1)在原点(观察者的位置)和附近的点(度规的偏导数组件消失)。在这样一个坐标系中,上面的方程在原点附近保持不变。注意,在这样一个坐标系中,由于观察者在附近看到了平坦的度规,观察者就必然看不到任何局部的引力效应——这只有在观察者自由下落时才有可能。

所以光速在重力的存在下是局部恒定的,这只是另一种说法弯曲时空看起来像相对论中的平坦时空当你放大足够大,你就会自由下落。但一旦光到达一个相当远的距离,你就不能再指望它的坐标速度是一样的了。

也就是说,不受任何力,重力或其他的作用。

请注意,为了避免时间膨胀的影响,时钟必须非常缓慢地移动到目的地。

如果,事实上,你成功地找到了一个坐标系在其中光速是恒定的,那么根据定义你所处的时空实际上是平坦的,你刚开始时用的是一个奇怪的坐标系所以在你看来它不是平坦的。

所以宇宙的膨胀确实是宇宙弯曲的特殊方式的表现。

结果是,当三角形越来越小时,弯曲空间中三角形的内角和会越来越接近180度。
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