爱你的人是我 发表于 2023-9-17 09:38:27

时空曲率越大,引力场越强吗?

反过来,如果一个地点的引力场很弱,是不是就说明这里的时空曲率很小呢?

111111zz 发表于 2023-9-17 09:38:39

简单回答楼主
如果楼主说的引力,指的是我们平常说的“引力效应”,也就是你在地面上看,苹果加速下落,而不走匀速直线运动这种现象,那么对于楼主的问题,答案显然是否定的
因为广义相对论中,时空曲率,是由黎曼曲率张量表征的,时空曲率对应的物理效应是潮汐力效应,而非楼主说的“引力效应”
当然,在许多相对论文献中,说“引力”指的就是“潮汐力”,因为楼主想象的那种引力效应,其实是坐标(度规)变换(参考系选取)的结果,如果楼主读过广义相对论应该知道我在说什么,就像自由降落的观测者、处于失重状态的宇航员,在局部他是感受不到引力存在的,因为他选择的是“局部自由降落系”,是一个“局部惯性系”,因为他们是弯曲时空中做测地运动的自由粒子。而地面上的人能感受到引力存在,因为地面上的人选择的坐标系不是“自由降落”的,在该系中苹果的测地运动轨道方程,就近似于牛顿加速下落的方程,这就是楼主说的存在“引力”,即存在“引力效应”。如果是这样通过坐标变换产生的“引力”,如前文所述,是可以在局部通过坐标变换消除的,因此在广义相对论中,不是指真的引力,所以更多的文献说“引力”指的是“潮汐效应”,这是由曲率表征的
然后回答楼主的疑问,时空曲率大,潮汐效应明显,但楼主说的“引力效应”并不一定明显
先明确,下文说的“引力”,都是指楼主想的“苹果加速下落”的引力效应,而非潮汐力
为什么呢?因为把测地线方程的加号两边,写成等号两边,再同乘m,就发现左边实际上表征“等效引力”,因为是质量乘以四加速,从传统牛顿引力论的角度看,这就是“力”的体现。
而右边呢,是 质量 乘 时空仿射联络(克氏符) 与 四速交叉相乘 的 循环求和函数
那从传统物理学的观点看,力=荷*场强度*速度状态之类相关函数
那么克氏符的物理意义,就是“引力场强度”
所以,楼主说的“引力效应”,其实就是由克氏符表征的
楼主的问题,时空曲率大,是不是引力就大,这样看来,肯定答案是否定的
因为曲率张量,是克氏符的一阶偏微分组合函数
举个最简单的例子,我们说地球产生的是“弱场”,也就是时空曲率是很低的,近似平直时空
但“弱场”(时空曲率低)不代表楼主说的“引力效应”不显著
地球周围随时可以看到苹果以9.8m/s^2的加速度下落,也能够把月亮束缚在公转轨道
为什么?因为如前文所述,把测地线方程写成等号两边,左边是等效重力加速度,如果做弱场近似,则右边等于 克氏符的第一分量乘以光速平方,这个结果在地表近似就是9.8m/^2
除了我们实际生活的地球附近,再举一个楼主可能很感兴趣的例子
电影《星际穿越》中,片尾是一个非常大质量的黑洞,不是说“黑洞都是时空极度弯曲的反映”吗?如果潮汐力效应表征时空曲率,那主角穿越视界,怎么没被拉成意大利面条
首先黑洞形成的条件,楼主如果读过广义相对论,就知道,把物质压缩到半径小于2GM/c^2的范围内,就会产生黑洞效应,这里M是质量
楼主可以算下,地球压缩成0.89cm以下,才会成黑洞,也就是地球成黑洞的最低密度也是10^21吨/cm^3的数量级,这个密度是非常大的,导致的时空曲率将会十分十分大
而银河系呢,按银河系的总质量,压缩形成黑洞,其密度只有约10^-7克/cm^3数量级,这个密度,比空气密度还低很多
所以,大黑洞的时空曲率,反而是很小的
《星际穿越》主角正是坠落于一个大黑洞(虽然没有上述银河系级黑洞那么大,但是好像质量是太阳的几百万倍,具体数据楼主可以查影片配套资料),据电影资料提供的数据计算,该黑洞视界附近的潮汐力是很低的,所以主角穿越视界的时候,一点感觉都没有
但是这个【小】,是横向对比的结果,是与质量不同的物质形成黑洞条件对比的结果
而和在同等质量的物质下,与没有形成黑洞的条件对比,时空曲率是很大的
什么意思呢?把银河系压成黑洞,虽然时空曲率在我们的感受上很小(你不会被拉成意大利面条),但比起现在实际的银河系,其实大很多,因为要把银河系压缩到10^11千米半径范围,这个数比起现在银河系半径是十几万光年,简直小太多太多了。也就是说,银河系形成黑洞,其密度比实际现在不是黑洞的银河系,密度大很多很多,所以导致的时空曲率会大很多很多的
意思就是,同等质量物质,形成黑洞条件,其导致的时空曲率,比他物质分散地不形成黑洞的常规情况,可以大很多很多,我们现实的银河系,物质的分散程度,比“银河系级”黑洞,分散太多了。所以平常人们说“黑洞是时空极度弯曲的效应”是这个意思,是同等质量形成黑洞与非黑洞对比的结果,而不是说曲率的绝对值,即我人能承受多大潮汐力的对比。虽然我人完全可以承受“银河系级黑洞”的时空弯曲(潮汐力),但“银河系级黑洞”的时空曲率,比他不形成黑洞,比如现实的银河系,曲率是大很多的。所以说“黑洞附近的时空是极度弯曲的”
那如果把银河系压成黑洞,视界附近的重力加速度呢?
这个密度,比地球上空气的密度都还低,也就是比地球都还弱的弱场,更接近平直时空
因此 上文说的克氏符 ,几何上,是对矢量平移的联络,如果时空平直,这个联络量是0
也就是说,银河系压成黑洞,比地球这个“弱场”的弯曲程度都还低很多,所以“银河系级黑洞”的视界附近,克氏符比我们现实地球产生的场还接近0
其视界附近的 等效重力加速度,比地球还小,小很多,楼主可以计算具体多少
所以楼主的问题,时空曲率越大,楼主说的“引力效应”不一定越强

leoqb 发表于 2023-9-17 09:38:48

https://zhuanlan.zhihu.com/p/51337951
页: [1]
查看完整版本: 时空曲率越大,引力场越强吗?