将空间看作一个不会改变的参量,并不能说其错,但是当遇到某些观察偏差以后,就需要引入更多参数来解释这个偏差。
在中世纪的时候地心说是人们所奉行的宇宙学说,那么当观测到火星的逆行时,就不得不引入“本轮-均轮”概念来解释这一现象,既,火星绕着一个没有实物的点运行,这个虚拟的点才是绕着地球运行的东西。
而当日心说能以更少的参数,更精简的数学模型描述这个现象时,地心说就被代替了。
万有引力也是一样。
作为物理学上的巨擘,牛顿爵士能以极其优雅的公式来描述世间万物的运行规律,以至于直到今天,万有引力公式依旧是学生作为物理学探究万物的启蒙,影响了一代又一代人。
只不过随着物理学的进步和发展,随着观测精度的越来越高,人们发现万有引力的计算与实际的观察结果出现了偏差,水星在运行至近日点时,其位置为何总是与推算不同?
有些科学家尝试找出一个隐藏在宇宙中,扭曲光线传播的物质,或者找到一颗行星,扰乱水星的运行轨迹,然而均未成功。
直到阿尔伯特爱因斯坦发表了广义相对论,才以非常简洁的方式解释了这个现象,不仅仅是水星岁差问题,还有其他大质量天体运行中出现的观察偏差,并以另一种全新的模型诠释了万有引力。
虽然物理学中还有很多问题未能解决,但是至少在找到更简洁高效的方式来解释这些问题之前,相对论就是科学家解释物体运动规律最有效的工具。
“不过想要通过广义相对论进行计算,就必须引入一个数学计算工具:黎曼几何”,李力从身后的行李箱侧面里掏出笔和纸,铺开在桌子上,边说边写:“当空间方向为不可扭曲的直线时,我们可以使用欧式几何来表示,维度坐标系中所有的坐标向远处无限延伸,没有交叉。”
“但是在广义相对论中,空间本身,或者所物体所属坐标参考系本身是可以扭曲的,x轴和y轴除了相交于原点以外,也有可能在远处相交,比如说,将地球表面看作一个完整的坐标参考系,那么就会有一个现象,那就是东西方向的维度线与南北方向的经度线有不止一个交叉点。
“这也是黎曼几何的学说基础:将一个几何实体当成一个参考系,而不仅仅是一个欧式空间中的一个实体。”
樾樾听到这里,若有所思地说:“所以,广义相对论就是建立在我们的世界处于三维曲面参考系的基础上咯?”
“基本对,但是错了一点”,李力抬起头来对着她笑了笑,“不是三维曲面参考系,而是四维。
“但本质上,广义相对论只是一个理论模型,当我们需要解决具体问题的时候,就需要具体的公式。”
李力面前的稿纸上绘制着一个简单参考系网格,但是不同的是网格的中央却改用曲线连接,形成一个立体的凹陷。接着,他将依然常温的小冰球放在了凹陷的中央,并将另一个较小的小球放在远处,然后画了一条绕过太阳的曲线,从太阳背后射向太阳边缘,并在接近太阳的时候向内弯折,形成一个中间弯曲的线段,并连接向小球。
“假设这个星球是太阳,来自金星的光从太阳背后的射向太阳边缘,但是由于太阳引力场的原因,光线在距离太阳边缘的时候发生了弯折,最后被我们观测到。”
“注意,如果我们并不知道引力井能够弯曲光线,那么当我们观测到金星时,我们认为的金星位置,是在这里”
他沿着地球到太阳边沿的线段做出射线,然后在距离金星不远处的地方画了一个小圈。
“这就是观测结果偏差,但他本质上还是由我们未知的现象导致的,此时我们就可以算一下光在引力场中的运动张量。
“我们在小学二年级的时候就学过引力场方程,首先我们将太阳的密度转换为各个方向上的分量,代表物质和动量的张量,然后带入公式,由于其他常数我们都已经知道,顺便曲率张量可以由度规张量算出,那么最终我们可以算出在太阳的影响下整个时空被扭曲的度规张量。。。”
一边说,李力一边下笔在纸上写出晦涩难懂的方程,将原式写出后,带入参数一步一步推算起来。
“在算出度规张量后,我们可以将光带入其中,由于光的质量为零,所以在这里我们可以将他看做是一维动量,这样的话就可以求出光进入扭曲时空中的相对光速和转动角。。。”
“当我们知道了其偏差角以后,就可以通过此偏差角进行轨道修正,事实上如果通过万有引力公式,金星的轨道大约是这样。。。”
“但是其真实的轨道参数很可能是这样。。。”
在写满了三张白纸后,李力终于计算出了最终结果,在稿纸最后写下了一个极其复杂的公式,即便如此,公式里的很多参数也还是未展开的形式,也就是说如果要展开,其表达方式会更加复杂。
然后,他长长地舒了一口气,抬起头轻松地问道:“明白了吗?”
迎着他的是三张懵逼到极点的脸。
四双眼睛大眼瞪小眼,互相瞪了十几秒,还是欧文大魔导师率先反应过来,从趴着的姿态瞬间切换到倚靠地姿态,努力维持着他世外高人的样子,满意地点了点头:“很好,非常好,推导结果一目了然,嗯,很好。”
听闻此话的樾樾斜着眼睛鄙视地看了欧文大魔导师一眼,“就好像您看懂了一样。”
欧文大魔导师假装没听见樾樾说的话,清咳一声,一本正经地切换了话题,“马上就要出发了,等回到实验室,李力你可以把这些整理整理,写一篇论文发到魔法学会,我估计那群看星星的一定会很感兴趣的。”
懵也不能光我一个人懵,大家懵才是真的懵。
“额。。。很难么?”看到三位的表现,李力摸着后脑勺疑惑地说,“这不就是很简单的线性变化么?啊!我知道,你们大概是不明白为什么相同实体在不同坐标系下的展示是吧?这个东西其实是可以用线性代数来表示,事实上在线性代数里,不同参考系就是一组不同的基,所以我们可以将。。。”
话还没说完,樾樾就从椅子上弹了起来,捂着肚子表情痛苦地说道:“哎呦。。。肚子疼。。。我一定是中午吃坏肚子了,我先去厕所了,你们自便。”
说完,还没等李力反应过来,一个瞬移消失不见。
欧文大魔导师则老神在在地站起来,看了看墙上的挂钟,自言自语地说了句:“嗯,我去看看车来了没。”
然后快步走出茶座,仿佛有人撵他一样,看那腿脚怎么着都不像是一个七十多岁的老年人。
李力被这两位弄得愣了半晌,直到欧文老师的背影消失在转角,他才奇怪地看向一脸淡然的莉莉丝,“一个神之下,肚子疼?”
莉莉丝想了想说道:“有可能是消化不良。”
具体是消化什么不良,明眼人一眼就能看出来。
李力一脸遗憾地咂咂嘴,他还想讲一讲关于张量和线性变换的类同呢,这样能够更好的理解这类参考系的变换方式,例子都已经准备好了。
唉,一点求知欲都没有。
在中世纪的时候地心说是人们所奉行的宇宙学说,那么当观测到火星的逆行时,就不得不引入“本轮-均轮”概念来解释这一现象,既,火星绕着一个没有实物的点运行,这个虚拟的点才是绕着地球运行的东西。
而当日心说能以更少的参数,更精简的数学模型描述这个现象时,地心说就被代替了。
万有引力也是一样。
作为物理学上的巨擘,牛顿爵士能以极其优雅的公式来描述世间万物的运行规律,以至于直到今天,万有引力公式依旧是学生作为物理学探究万物的启蒙,影响了一代又一代人。
只不过随着物理学的进步和发展,随着观测精度的越来越高,人们发现万有引力的计算与实际的观察结果出现了偏差,水星在运行至近日点时,其位置为何总是与推算不同?
有些科学家尝试找出一个隐藏在宇宙中,扭曲光线传播的物质,或者找到一颗行星,扰乱水星的运行轨迹,然而均未成功。
直到阿尔伯特爱因斯坦发表了广义相对论,才以非常简洁的方式解释了这个现象,不仅仅是水星岁差问题,还有其他大质量天体运行中出现的观察偏差,并以另一种全新的模型诠释了万有引力。
虽然物理学中还有很多问题未能解决,但是至少在找到更简洁高效的方式来解释这些问题之前,相对论就是科学家解释物体运动规律最有效的工具。
“不过想要通过广义相对论进行计算,就必须引入一个数学计算工具:黎曼几何”,李力从身后的行李箱侧面里掏出笔和纸,铺开在桌子上,边说边写:“当空间方向为不可扭曲的直线时,我们可以使用欧式几何来表示,维度坐标系中所有的坐标向远处无限延伸,没有交叉。”
“但是在广义相对论中,空间本身,或者所物体所属坐标参考系本身是可以扭曲的,x轴和y轴除了相交于原点以外,也有可能在远处相交,比如说,将地球表面看作一个完整的坐标参考系,那么就会有一个现象,那就是东西方向的维度线与南北方向的经度线有不止一个交叉点。
“这也是黎曼几何的学说基础:将一个几何实体当成一个参考系,而不仅仅是一个欧式空间中的一个实体。”
樾樾听到这里,若有所思地说:“所以,广义相对论就是建立在我们的世界处于三维曲面参考系的基础上咯?”
“基本对,但是错了一点”,李力抬起头来对着她笑了笑,“不是三维曲面参考系,而是四维。
“但本质上,广义相对论只是一个理论模型,当我们需要解决具体问题的时候,就需要具体的公式。”
李力面前的稿纸上绘制着一个简单参考系网格,但是不同的是网格的中央却改用曲线连接,形成一个立体的凹陷。接着,他将依然常温的小冰球放在了凹陷的中央,并将另一个较小的小球放在远处,然后画了一条绕过太阳的曲线,从太阳背后射向太阳边缘,并在接近太阳的时候向内弯折,形成一个中间弯曲的线段,并连接向小球。
“假设这个星球是太阳,来自金星的光从太阳背后的射向太阳边缘,但是由于太阳引力场的原因,光线在距离太阳边缘的时候发生了弯折,最后被我们观测到。”
“注意,如果我们并不知道引力井能够弯曲光线,那么当我们观测到金星时,我们认为的金星位置,是在这里”
他沿着地球到太阳边沿的线段做出射线,然后在距离金星不远处的地方画了一个小圈。
“这就是观测结果偏差,但他本质上还是由我们未知的现象导致的,此时我们就可以算一下光在引力场中的运动张量。
“我们在小学二年级的时候就学过引力场方程,首先我们将太阳的密度转换为各个方向上的分量,代表物质和动量的张量,然后带入公式,由于其他常数我们都已经知道,顺便曲率张量可以由度规张量算出,那么最终我们可以算出在太阳的影响下整个时空被扭曲的度规张量。。。”
一边说,李力一边下笔在纸上写出晦涩难懂的方程,将原式写出后,带入参数一步一步推算起来。
“在算出度规张量后,我们可以将光带入其中,由于光的质量为零,所以在这里我们可以将他看做是一维动量,这样的话就可以求出光进入扭曲时空中的相对光速和转动角。。。”
“当我们知道了其偏差角以后,就可以通过此偏差角进行轨道修正,事实上如果通过万有引力公式,金星的轨道大约是这样。。。”
“但是其真实的轨道参数很可能是这样。。。”
在写满了三张白纸后,李力终于计算出了最终结果,在稿纸最后写下了一个极其复杂的公式,即便如此,公式里的很多参数也还是未展开的形式,也就是说如果要展开,其表达方式会更加复杂。
然后,他长长地舒了一口气,抬起头轻松地问道:“明白了吗?”
迎着他的是三张懵逼到极点的脸。
四双眼睛大眼瞪小眼,互相瞪了十几秒,还是欧文大魔导师率先反应过来,从趴着的姿态瞬间切换到倚靠地姿态,努力维持着他世外高人的样子,满意地点了点头:“很好,非常好,推导结果一目了然,嗯,很好。”
听闻此话的樾樾斜着眼睛鄙视地看了欧文大魔导师一眼,“就好像您看懂了一样。”
欧文大魔导师假装没听见樾樾说的话,清咳一声,一本正经地切换了话题,“马上就要出发了,等回到实验室,李力你可以把这些整理整理,写一篇论文发到魔法学会,我估计那群看星星的一定会很感兴趣的。”
懵也不能光我一个人懵,大家懵才是真的懵。
“额。。。很难么?”看到三位的表现,李力摸着后脑勺疑惑地说,“这不就是很简单的线性变化么?啊!我知道,你们大概是不明白为什么相同实体在不同坐标系下的展示是吧?这个东西其实是可以用线性代数来表示,事实上在线性代数里,不同参考系就是一组不同的基,所以我们可以将。。。”
话还没说完,樾樾就从椅子上弹了起来,捂着肚子表情痛苦地说道:“哎呦。。。肚子疼。。。我一定是中午吃坏肚子了,我先去厕所了,你们自便。”
说完,还没等李力反应过来,一个瞬移消失不见。
欧文大魔导师则老神在在地站起来,看了看墙上的挂钟,自言自语地说了句:“嗯,我去看看车来了没。”
然后快步走出茶座,仿佛有人撵他一样,看那腿脚怎么着都不像是一个七十多岁的老年人。
李力被这两位弄得愣了半晌,直到欧文老师的背影消失在转角,他才奇怪地看向一脸淡然的莉莉丝,“一个神之下,肚子疼?”
莉莉丝想了想说道:“有可能是消化不良。”
具体是消化什么不良,明眼人一眼就能看出来。
李力一脸遗憾地咂咂嘴,他还想讲一讲关于张量和线性变换的类同呢,这样能够更好的理解这类参考系的变换方式,例子都已经准备好了。
唉,一点求知欲都没有。