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为什么物体会弯曲时空?

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人类目前使用的所有航天器,无论是固体火箭,还是液体火箭,飞行的基本原理都是利用燃料燃烧汽化产生的高温高压气体推动火箭飞行。用牛顿力学作为飞船飞行依据,地球引力束缚航天器,引力大小与航天器重力有关,当火箭燃烧喷射高温高压气体反推力大于航天器自身重力,航天器就能升空,飞向太空。
利用化学燃烧产生高温高压气体推动航天器飞行,是人类迈向探索宇宙深空的初期阶段。人类航天器进入广袤宇宙不可能携带巨量化学燃料。中国航天事业奠基人钱学森曾经说过,年轻的技术员王永志同志提出,为了让导弹发射的距离更远,应该卸掉一部分燃料,后来卸掉一部分燃料后,果然飞的更远。当火箭携带巨量化学燃料,航天器自身重力也随之增大,需要的反推力也越大,这种航天器飞不快、也飞不远。
解决探索太空的钥匙就在“什么是引力”这个问题上。当锁匠只有知道锁子内部结构,才能按照结构匹配出合适的钥匙,当科学家只有知道引力的本质,才能建造出反引力航天器,才能探索太空。解决”什么是引力“这个问题,人类不光可以探索太空,还可以让生活在地面上的人类,转化为三维空间生存高等动物,极大的拓展了生存空间。
什么是引力:引力是自然界中的一种基本相互作用力,它描述了任意两个物体或粒子之间的吸引力,这种吸引力与它们的质量乘积相关。它的强度与物体的质量成正比,与物体之间的距离的平方成反比。
从上面定论得出引力大小与物体的质量和物体的距离有关,由此引申出来三个问题:1、物体为什么会产生引力?2、为什么物体越重,引力越强?3、距离物体越远,为什么引力越弱?只有解决这三个问题,才能解决地球囚牢危机。
物体为什么会产生引力?世界上最伟大的科学家爱因斯坦,在他的广义相对论里,认为引力是由于时空弯曲引起的。
牛顿力学与爱因斯坦广义相对论最根本的区别是时空观的区别,牛顿的绝对时空观认为:时空是物质、能量运动的背景,是独立于事物之外绝对存在状态,与物体、能量没有任何的关系,时空永远均匀不动。爱因斯坦的相对时空观认为:时空也在参与物体、能量的运动变化,时空可以被物体弯曲,时空的曲率决定物体运动的方向以及速度。
将时空纳入物体运动的变量、参数、参与者的有力证据有三点:水星近日点进动、光线在太阳附近经过时弯曲、白矮星光谱的引力红移,实验已经确凿无疑的证明时空弯曲是物体运动的原因,苹果自由落地不是引力导致,而是地球弯曲了苹果所处的时空导致。
将时空弯曲概念替换掉引力概念,三个问题变为:1、物体为什么会弯曲时空?2、为什么物体越重,时空曲率越大?3、距离物体越远,为什么时空曲率越小?
这三个问题本质上是物体与时空的联系问题,要弄清楚物体与时空的联系,就要了解什么是物体?
物体在微观层面由原子构成,原子由更微小的基本粒子构成,这些基本粒子包括夸克、轻子和传播子三大类,基本粒子有个非常重要的内禀属性,叫做自旋,换句话说,微观层面构成物体的基本粒子都在运动。
还有一个物理学分支学科叫做“弦理论”,弦论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”,包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦,物体最细微的结构是不停抖动的能量弦线所构成。
无论是基本粒子还是弦理论,两者共同点都是构成物体最细微的结构在不断运动,这个结论非常重要。热力学第三定律指出:绝对零度无法达到,在绝对零度分子动能为零,即分子静止不动,物体不存在分子绝对不动的状态。量子力学的不确定性原理也说明:粒子位置和动量不能同时确定,这意味着分子不可能完全停止运动。这与基本粒子的自旋属性、弦振动理论一致。因此,自然界中不存在绝对零度的物体。
自然界中不存在绝对零度的物体,那么,所有物体都在向周围时空传递热能!热能传递有三种方式:热传导、热对流、热辐射。热传导和热对流需要介质传递热能,热辐射不需要介质,因此在时空中也能进行。热辐射是通过电磁波传递热量的过程,所有温度高于绝对零度的物体都会发出电磁波。
我们找到了物体与时空的联系方式,电磁波。现在我们用电磁波回答时空弯曲的三个问题:
1、物体为什么会弯曲时空?
答:因为宇宙中不存在绝对零度的物体,所有物体都在向周围时空辐射电磁波,时空中存在电磁波能量,是电磁波能量导致时空发生弯曲。
2、为什么物体越重,时空曲率越大?
答:物体由原子构成,物体越重,构成物体的原子数量越多。单个原子辐射到时空中的电磁波能量有限,原子越多,辐射到时空中的电磁波能量越大,因此,物体越重,辐射到时空中的电磁波能量越大,是电磁波的能量大小决定了时空曲率的大小。
3、距离物体越远,为什么时空曲率越小?
答:物体向周围时空辐射电磁波,电磁波的频率、波长不会随着距离的增加而发生变化。但是,电磁波的能量密度会随着距离的增加而降低,有限的能量向无限时空扩散,距离能量源头越远,能量密度越低。举例来说,距离太阳越近,电磁波能量密度越大、温度越高,距离太阳越远,电磁波能量密度越小,温度越低。因此,距离物体越远,电磁波能量密度越小,时空曲率越小。
通过以上三个问题的回答,得出一条重要结论:物体向时空辐射电磁波,构成物体的原子数量决定周围时空电磁波能量密度大小,因此,物体越重,向时空辐射的电磁波能量密度越大。电磁波能量密度越大,周围时空曲率越大。距离物体越远,电磁波能量密度越小,时空曲率越小。是电磁波在时空中的能量密度分布,决定了时空曲率的大小。
当我们分析物体与时空的联系,我们通过微观基本粒子、弦论、绝对零度不可达到,找到了电磁波这个“中间商”,物体辐射电磁波,电磁波能量密度在时空中分布不均,导致时空发生弯曲。
那么,下一个问题来了,电磁波与时空有什么联系?要弄清楚电磁波与时空的联系,就要了解什么是电磁波?
电磁波是指:同相振荡且互相垂直的电场与磁场在时空中衍生发射的振荡粒子波,是以波动的形式在时空中传播的电磁场,具有波粒二象性。自然界中声波、水波、地震波都需要介质,唯独电磁波在时空中传播不需要介质,这一现象由著名的迈克尔逊-莫雷实验得到验证。
我们再回过头看下迈克尔逊-莫雷实验的实验原理以及测量过程:
19 世纪流行着一种“以太”学说,它是随着光的波动理论发展起来。那时,由于对光的本性知之甚少,人们套用机械波的概念,想像必然有一种能够传播光波的弹性物质,它的名字叫“以太”。许多物理学家们相信“以太”的存在,把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系,用实验去验证“以太”的存在就成为许多科学家追求的目标。
当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们去探讨“以太风”存在与否。如果存在以太,则当地球穿过以太绕太阳公转时,在地球通过以太运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。
迈克尔逊-莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上,并让大理石漂浮在水银槽上,可以平稳地转动,仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条纹移动,用该仪器测条纹移动很容易。迈克尔逊和莫雷设想:如果让仪器转动90°,光通过OM1、OM2的时间差应改变,干涉条纹要发生移动,从实验中测出条纹移动的距离,就可以求出地球相对以太的运动速度,从而证实以太的存在。但实验结果是:未发现任何条纹移动。在此之后的许多年,迈克尔逊-莫雷实验又被重复了许多次,都是零结果。
迈克尔逊-莫雷实验有个前提假设:宇宙间充斥着无处不在的“以太”,以太是绝对参考系,处于绝对静止状态,当地球以每秒30公里速度绕太阳运动,就必须遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来。这与牛顿的绝对时空观描述的几乎一致,绝对时空观认为:时空是物质、电磁波运动的背景,是独立于事物之外绝对存在状态,时空永远均匀不动。绝对时空观与以太在观点上唯一区别:时空是电磁波传播背景,以太是电磁波传播介质。
绝对时空观已经被证实不存在,相对时空观已经通过水星近日点进动、光线在太阳附近经过时弯曲、白矮星光谱的引力红移证实,时空参与物质、能量运动变化。现在,我们把绝对时空观和以太这两种观念全部抛弃,引入相对时空观再来审查迈克尔逊-莫雷实验为什么无法检测出干涉条纹移动现象。
迈克尔逊-莫雷干涉仪安装在十分平稳的大理石上,并让大理石漂浮在水银槽上,干涉仪处于绝对水平状态,我们审察下干涉仪在水平面高度的时空电磁波能量密度分布。
前面我们推导出时空弯曲是由于物体向时空辐射电磁波,因为电磁波能量密度在时空中分布不均匀,导致时空发生弯曲。物体进行自由落体运动,是因为地球向时空中辐射电磁波能量密度在垂直面上分布不均,导致时空弯曲,这种时空弯曲效应导致物体进行自由落体运动。那么,物体在地球上无法进行“自由横向运动”,是因为在水平面高度,电磁波能量密度分布非常均匀、处处一致。
为什么在地球水平面高度,时空电磁波能量密度分布非常均匀、处处一致?这要引入爱因斯坦的等效原理。
等效原理是广义相对论的第一个基本原理,也是整个广义相对论的核心。其基本含义是指重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的,即物体的引力质量与惯性质量相等,引力场与惯性场在无穷小范围内不可区分。
太阳是一个重要的重力场,如果地球停止公转,则地球将被吸引掉落到太阳中毁灭。太阳的重力场是太阳辐射电磁波能量密度在时空中分布不均产生的时空弯曲。地球时刻在围绕太阳公转,公转速度不是匀速,位于近日点时速度快,位于远日点时速度慢。地球公转是以变速运动的参考系。地球公转变速运动产生的时空弯曲效应,抵消了太阳对地球所处时空弯曲效应。等效原理导致地球变速运动抵消太阳对所处时空的弯曲效应,换句话说,地球的变速运动导致地球自身处于失重状态,失重状态下,地球所处时空只受到自身质量影响。
这也可以从另一个实验来理解,地球是一个重要的重力场,当高空电梯以重力加速度进行自由落体运动,在电梯内的人立刻会漂浮在电梯中,体验到失重,此时,电梯内的人不再受到地球时空弯曲影响,只受自身质量影响。电梯的变速运动产生的时空弯曲效应抵消了地球对电梯所处时空弯曲效应,电梯内部时空能量密度分布只受人员自身质量影响。
迈克尔逊-莫雷干涉仪安装在绝对水平状态,时空电磁波能量密度分布非常均匀、处处一致是因为:等效原理导致地球公转变速运动抵消了太阳时空弯曲效应,地球在时空中处于失重状态,只受自身质量影响,因此,地球人无法感受到太阳对所处时空弯曲作用。就像电梯做自由落体运动,电梯内部人员处于失重状态,无法再感受到地球对电梯内部人员所处时空弯曲作用。地球相对于太阳,是个“超大号圆形电梯”,此时,这个“超大号圆形电梯”因为围绕太阳做变速运动,抵消了太阳对所处时空弯曲效应,只受到自身质量影响。所以“超大号圆形电梯”内的人只感受到地球对自身的时空弯曲作用。
地球垂直面时空中电磁波能量密度分布随高度上升逐渐降低,时空曲率逐渐变小。地球水平面相同高度区域,时空电磁波能量密度分布均匀、一致。迈克尔逊-莫雷干涉仪两束频率相同的光经过相同能量密度分布的时空,最终汇聚到一起,肯定无法检测出干涉条纹移动现象。
水平层面,相同能量密度的电磁波与相同频率的两束电磁波发生干涉,会再次产生相同频率的电磁波,而将这两束相同频率的电磁波汇聚到一起,打到观测屏上,是无法观测到干涉条纹移动现象。
如果不改变迈克尔逊-莫雷干涉仪安装位置,让地球停止围绕太阳公转,静止不动,可以立刻检测出干涉条纹移动现象,因为此时地球水平面相同高度电磁波能量密度分布被太阳干扰,不再均匀、一致。地球上某些物质会水平朝向太阳飞去。
如果改变迈克尔逊-莫雷干涉仪安装位置,将分光镜分离出的一束光垂直地面,另一束光保持水平不动,将仪器沿垂直面均匀转动,让两束光分别经过不同能量密度区域,可以立刻检测出干涉条纹移动现象。如果检测出干涉条纹移动现象,这个结果意味着什么?
意味着电磁波的传播介质是时空。时空的最小长度是普朗克长度,约等于1.16x10-35米,宇宙中没有比这个长度再小的单位。时空能够传播的最小能量是普朗克常数,约等于6.62×10-34焦耳/秒,宇宙中没有比这个能量再小的能量。时空中时间最小数值是普朗克时间,约等于5.39×10-44秒,宇宙中没有比这个时间更短的时间。
构成宇宙的时空长度、时间、能量均有最小值,不存在低于这个最小值的时空尺度。这与人类世界的两个电脑概念非常相似:像素和帧数。像素是整个图像中不可分割的显示单位或者元素,是以一个单一颜色的小格存在 。每一个点阵图像包含了一定量的像素,这些像素决定图像在屏幕上所呈现的大小。帧数是在单位时间内,快速连续生成图像的数量。
像素与时空的普朗克长度非常相似,帧数与时空的普朗克时间非常相似。另外,质能方程E=mc²表明,具有质量的物体,可以转化为能量,以电磁波的形式向时空辐射,质量消失,电磁波产生,而电磁波是时空振动。能量的载体是时空,因此,有理由怀疑,物体的本性是弯曲闭合的时空。
时空振动称为电磁波,时空弯曲称为引力,时空在微小尺度弯曲闭合显示为有形物质,这与弦理论不谋而合。弦就是时空,闭合弦表现出物质形态,开弦振动表现出电磁波形态。
心经说:色不异空,空不异色,色即是空,空即是色。道德经第四十章说:天下万物生于有,有生于无。时空代表无、代表空,宇宙中的物质、能量代表有、代表色。物质、能量皆从时空转化而来。
最后一个问题:如何克服航天器对地球的时空弯曲作用?
电磁波能量密度在时空中分布不均,导致时空发生弯曲。只要在时空中产生喇叭状、扇贝状、扇子状电磁场,电磁场能量密度分布由窄向宽分布,就能弯曲时空,克服地球时空弯曲作用。电磁场能量越大,时空弯曲效应越显著,航天器速度越快。
通过初级线圈、次级线圈缠绕方式,或者使用真空电容器,在阳极板和阴极板间产生产生喇叭状、扇贝状、扇子状电磁场,就能弯曲时空,让航天器高速飞行,解决地球囚牢危机。使用电磁波作为航天器动力,能量只用来弯曲时空,没有其他损耗,航天器只需要电能就能遨游太空。

邵鹏
2024年12月12日
电话:15509588080


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