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爱因斯坦的广义相对论【一分钟数学】



Lyric:

Where lies the wonder in all I see

Surrounded by a phantom dream

I question my fate in this existence

In my view are my deepest thoughts

Bound together by that which isn't real

In this kingdom truth lies hidden

Existing through infinity and space

Where fate is concealed and matter released

The deepest secrets of my world

I open my arms and welcome their demise

Yet they will never seize to be

Expanding everlasting beyond limitation

Created and recreated with no conclusion



如果太阳突然爆炸会怎么样?


如果太阳突然爆炸会怎么样?这是困扰了我很久的问题。爱因斯坦在1905年他发现狭义相对论 e=mc2 之后没多久,他就一直在思考这个问题。因为太阳离地球如此的远,光也需要八分钟才能到达地球。我们不会立即知道这样的爆炸,爆炸发生时和我们感受到的时间是不同步的。 我在听着这首歌的时候思考着这个问题。


我们面对的重大问题无法在我们制造出这些问题的思考层次上解决。

                                                                                 ――爱因斯坦




但是引力会发生怎样的改变?由于太阳的引力,地球围绕太阳按照椭圆形的轨道公转。如果太阳不在了,地球将沿着直线运行。爱因斯坦的困惑是:地球的直线运行是从什么时刻开始发生?在太阳爆炸的那一刻还是在八分钟光年之后?




在20世纪初牛顿的重力理论被公认为是近代科学的基石。它解释了行星和卫星的运动,并准确地预测彗星的运行轨迹。




根据牛顿的重力理论,地球在太阳消失的那一刻,地球就会失去太阳的引力吸引。但是在爱因斯坦的狭义相对论中,没有任何物体能够比光速还快,甚至是引力的作用。光的速度是宇宙的极限。如果光都要八分钟从太阳到达地球,那么引力的改变至少在相同的八分钟之后才会发生。



直到1915年,人们把太空理解成是惰性的阶段,在那里物理学的规律是不适用的。我们只是将行星和卫星扔进太空里面,然后各自运行着。爱因斯坦的困惑最终解答是:我们必须完全改变我们理解宇宙的方式。爱因斯坦的革命性的认识是:太空不是那么被动的,它对其中的变化是有反应的,它是动态的。如果你将重的东西放进太空,比方说地球,那么太空中围绕着地球的将挪出一些空间。当月球向地球靠近的时候,如同太空中的凹痕,月球围绕着地球滚动,如同大理石在碗中滚动一样。这就是我们说的引力。



重的物体能够弯曲时空


地球的出现不仅影响着太空的空间,也影响着时间。爱因斯坦认识到空间和时间不是各自分开的实体,而是时空的不同方面。宇宙的组成部分按照螺旋的星系运行轨道运动着。恒星和行星运行着,于是时空跟着弯曲,继而造成其他的行星和恒星开始移动,然后时空再一次在轨道中弯曲。这是爱因斯坦的洞察,引力是时空弧线的表现。



引力是空间和时间的曲率的表现


在1915年爱因斯坦公布了广义相对论。也是广为众知的引力理论。我们知道广义相对论的真实性是因为爱因斯坦做了很多重要的预测,并且得到了证实。其中一个是光在引力的作用下会弯曲。在1919年的日食中观察到了这一现象,证明了爱因斯坦的理论。




最后,我们在思考下文章开头问的问题。如果太阳突然爆炸会怎么样,这是一个悖论的问题,解决悖论问题也是现代科学和近代科学的分界点,牛顿和爱因斯坦也在这个分界点分开为不同的科学体系;悖论里面最出风头的要数“罗素悖论”,他直接引起了“第三次数学危机”,撼动了整个数学的基础。由于非欧几何的出现,使得数学系统完备和无矛盾的证明变得十分重要,而通过一大堆人的努力,这种东西都可以归结到算术系统的完备和无矛盾性上来。所谓算术系统,对于一般人可以大概理解成就是整数和加法运算(乘法和减法都可以通过加法定义,对于整数环,除法可以不考虑)。

 

把数学归于形式系统,也就是逻辑的想法彻底破灭,反而使得大家明白,逻辑只是整个数学游戏的一部分,逻辑有无数种,只是每个人的爱好不同。例如 有些数学家就不承认实数和排中律,而这并不说明他们比承认实数和排中律的人古怪,只是爱好不同。当然,大多数人都承认实数和排中律,因为有了实数和排中律,这个游戏好玩很多,如此而已。


小编表示有点烧脑。想了解更多的同学我们明天继续探讨。欢迎评论,期待你的互动和参与我们的讨论。





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