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第158章 廣義相對(duì)論

將空間看作一個(gè)不會(huì)改變的參量,并不能說(shuō)其錯(cuò),但是當(dāng)遇到某些觀察偏差以后,就需要引入更多參數(shù)來(lái)解釋這個(gè)偏差。

在中世紀(jì)的時(shí)候地心說(shuō)是人們所奉行的宇宙學(xué)說(shuō),那么當(dāng)觀測(cè)到火星的逆行時(shí),就不得不引入“本輪-均輪”概念來(lái)解釋這一現(xiàn)象,既,火星繞著一個(gè)沒(méi)有實(shí)物的點(diǎn)運(yùn)行,這個(gè)虛擬的點(diǎn)才是繞著地球運(yùn)行的東西。

而當(dāng)日心說(shuō)能以更少的參數(shù),更精簡(jiǎn)的數(shù)學(xué)模型描述這個(gè)現(xiàn)象時(shí),地心說(shuō)就被代替了。

萬(wàn)有引力也是一樣。

作為物理學(xué)上的巨擘,牛頓爵士能以極其優(yōu)雅的公式來(lái)描述世間萬(wàn)物的運(yùn)行規(guī)律,以至于直到今天,萬(wàn)有引力公式依舊是學(xué)生作為物理學(xué)探究萬(wàn)物的啟蒙,影響了一代又一代人。

只不過(guò)隨著物理學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展,隨著觀測(cè)精度的越來(lái)越高,人們發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的計(jì)算與實(shí)際的觀察結(jié)果出現(xiàn)了偏差,水星在運(yùn)行至近日點(diǎn)時(shí),其位置為何總是與推算不同?

有些科學(xué)家嘗試找出一個(gè)隱藏在宇宙中,扭曲光線傳播的物質(zhì),或者找到一顆行星,擾亂水星的運(yùn)行軌跡,然而均未成功。

直到阿爾伯特·愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論,才以非常簡(jiǎn)潔的方式解釋了這個(gè)現(xiàn)象,不僅僅是水星歲差問(wèn)題,還有其他大質(zhì)量天體運(yùn)行中出現(xiàn)的觀察偏差,并以另一種全新的模型詮釋了萬(wàn)有引力。

雖然物理學(xué)中還有很多問(wèn)題未能解決,但是至少在找到更簡(jiǎn)潔高效的方式來(lái)解釋這些問(wèn)題之前,相對(duì)論就是科學(xué)家解釋物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律最有效的工具。

“不過(guò)想要通過(guò)廣義相對(duì)論進(jìn)行計(jì)算,就必須引入一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算工具:黎曼幾何”,李力從身后的行李箱側(cè)面里掏出筆和紙,鋪開(kāi)在桌子上,邊說(shuō)邊寫(xiě):“當(dāng)空間方向?yàn)椴豢膳で闹本€時(shí),我們可以使用歐式幾何來(lái)表示,維度坐標(biāo)系中所有的坐標(biāo)向遠(yuǎn)處無(wú)限延伸,沒(méi)有交叉。”

“但是在廣義相對(duì)論中,空間本身,或者所物體所屬坐標(biāo)參考系本身是可以扭曲的,x軸和y軸除了相交于原點(diǎn)以外,也有可能在遠(yuǎn)處相交,比如說(shuō),將地球表面看作一個(gè)完整的坐標(biāo)參考系,那么就會(huì)有一個(gè)現(xiàn)象,那就是東西方向的維度線與南北方向的經(jīng)度線有不止一個(gè)交叉點(diǎn)。

“這也是黎曼幾何的學(xué)說(shuō)基礎(chǔ):將一個(gè)幾何實(shí)體當(dāng)成一個(gè)參考系,而不僅僅是一個(gè)歐式空間中的一個(gè)實(shí)體。”

樾樾聽(tīng)到這里,若有所思地說(shuō):“所以,廣義相對(duì)論就是建立在我們的世界處于三維曲面參考系的基礎(chǔ)上咯?”

“基本對(duì),但是錯(cuò)了一點(diǎn)”,李力抬起頭來(lái)對(duì)著她笑了笑,“不是三維曲面參考系,而是四維。

“但本質(zhì)上,廣義相對(duì)論只是一個(gè)理論模型,當(dāng)我們需要解決具體問(wèn)題的時(shí)候,就需要具體的公式。”

李力面前的稿紙上繪制著一個(gè)簡(jiǎn)單參考系網(wǎng)格,但是不同的是網(wǎng)格的中央?yún)s改用曲線連接,形成一個(gè)立體的凹陷。接著,他將依然常溫的小冰球放在了凹陷的中央,并將另一個(gè)較小的小球放在遠(yuǎn)處,然后畫(huà)了一條繞過(guò)太陽(yáng)的曲線,從太陽(yáng)背后射向太陽(yáng)邊緣,并在接近太陽(yáng)的時(shí)候向內(nèi)彎折,形成一個(gè)中間彎曲的線段,并連接向小球。

“假設(shè)這個(gè)星球是太陽(yáng),來(lái)自金星的光從太陽(yáng)背后的射向太陽(yáng)邊緣,但是由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的原因,光線在距離太陽(yáng)邊緣的時(shí)候發(fā)生了彎折,最后被我們觀測(cè)到。”

“注意,如果我們并不知道引力井能夠彎曲光線,那么當(dāng)我們觀測(cè)到金星時(shí),我們認(rèn)為的金星位置,是在這里——”

他沿著地球到太陽(yáng)邊沿的線段做出射線,然后在距離金星不遠(yuǎn)處的地方畫(huà)了一個(gè)小圈。

“這就是觀測(cè)結(jié)果偏差,但他本質(zhì)上還是由我們未知的現(xiàn)象導(dǎo)致的,此時(shí)我們就可以算一下光在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)張量。

“我們?cè)谛W(xué)二年級(jí)的時(shí)候就學(xué)過(guò)引力場(chǎng)方程,首先我們將太陽(yáng)的密度轉(zhuǎn)換為各個(gè)方向上的分量,代表物質(zhì)和動(dòng)量的張量,然后帶入公式,由于其他常數(shù)我們都已經(jīng)知道,順便曲率張量可以由度規(guī)張量算出,那么最終我們可以算出在太陽(yáng)的影響下整個(gè)時(shí)空被扭曲的度規(guī)張量。。。”

一邊說(shuō),李力一邊下筆在紙上寫(xiě)出晦澀難懂的方程,將原式寫(xiě)出后,帶入?yún)?shù)一步一步推算起來(lái)。

“在算出度規(guī)張量后,我們可以將光帶入其中,由于光的質(zhì)量為零,所以在這里我們可以將他看做是一維動(dòng)量,這樣的話就可以求出光進(jìn)入扭曲時(shí)空中的相對(duì)光速和轉(zhuǎn)動(dòng)角。。。”

“當(dāng)我們知道了其偏差角以后,就可以通過(guò)此偏差角進(jìn)行軌道修正,事實(shí)上如果通過(guò)萬(wàn)有引力公式,金星的軌道大約是這樣。。。”

“但是其真實(shí)的軌道參數(shù)很可能是這樣。。。”

在寫(xiě)滿了三張白紙后,李力終于計(jì)算出了最終結(jié)果,在稿紙最后寫(xiě)下了一個(gè)極其復(fù)雜的公式,即便如此,公式里的很多參數(shù)也還是未展開(kāi)的形式,也就是說(shuō)如果要展開(kāi),其表達(dá)方式會(huì)更加復(fù)雜。

然后,他長(zhǎng)長(zhǎng)地舒了一口氣,抬起頭輕松地問(wèn)道:“明白了嗎?”

迎著他的是三張懵逼到極點(diǎn)的臉。

四雙眼睛大眼瞪小眼,互相瞪了十幾秒,還是歐文大魔導(dǎo)師率先反應(yīng)過(guò)來(lái),從趴著的姿態(tài)瞬間切換到倚靠地姿態(tài),努力維持著他世外高人的樣子,滿意地點(diǎn)了點(diǎn)頭:“很好,非常好,推導(dǎo)結(jié)果一目了然,嗯,很好。”

聽(tīng)聞此話的樾樾斜著眼睛鄙視地看了歐文大魔導(dǎo)師一眼,“就好像您看懂了一樣。”

歐文大魔導(dǎo)師假裝沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)樾樾說(shuō)的話,清咳一聲,一本正經(jīng)地切換了話題,“馬上就要出發(fā)了,等回到實(shí)驗(yàn)室,李力你可以把這些整理整理,寫(xiě)一篇論文發(fā)到魔法學(xué)會(huì),我估計(jì)那群看星星的一定會(huì)很感興趣的。”

懵也不能光我一個(gè)人懵,大家懵才是真的懵。

“額。。。很難么?”看到三位的表現(xiàn),李力摸著后腦勺疑惑地說(shuō),“這不就是很簡(jiǎn)單的線性變化么?啊!我知道,你們大概是不明白為什么相同實(shí)體在不同坐標(biāo)系下的展示是吧?這個(gè)東西其實(shí)是可以用線性代數(shù)來(lái)表示,事實(shí)上在線性代數(shù)里,不同參考系就是一組不同的基,所以我們可以將。。。”

話還沒(méi)說(shuō)完,樾樾就從椅子上彈了起來(lái),捂著肚子表情痛苦地說(shuō)道:“哎呦。。。肚子疼。。。我一定是中午吃壞肚子了,我先去廁所了,你們自便。”

說(shuō)完,還沒(méi)等李力反應(yīng)過(guò)來(lái),一個(gè)瞬移消失不見(jiàn)。

歐文大魔導(dǎo)師則老神在在地站起來(lái),看了看墻上的掛鐘,自言自語(yǔ)地說(shuō)了句:“嗯,我去看看車(chē)來(lái)了沒(méi)。”

然后快步走出茶座,仿佛有人攆他一樣,看那腿腳怎么著都不像是一個(gè)七十多歲的老年人。

李力被這兩位弄得愣了半晌,直到歐文老師的背影消失在轉(zhuǎn)角,他才奇怪地看向一臉淡然的莉莉絲,“一個(gè)神之下,肚子疼?”

莉莉絲想了想說(shuō)道:“有可能是消化不良。”

具體是消化什么不良,明眼人一眼就能看出來(lái)。

李力一臉遺憾地咂咂嘴,他還想講一講關(guān)于張量和線性變換的類(lèi)同呢,這樣能夠更好的理解這類(lèi)參考系的變換方式,例子都已經(jīng)準(zhǔn)備好了。

唉,一點(diǎn)求知欲都沒(méi)有。

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