时空弯曲的本质

挣挣日上hxzz2r 2019-08-04

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菩提本无树，

明镜亦非台，

本来无一物，

何处惹尘埃。

这是六祖惠能大师的一个四句偈。不过，今天我们不谈佛学，今天，我们只聊聊常识。

我们知道，什么也没有，就谈不上形状和颜色，更谈不上什么意义。

爱因斯坦（广义相对论）说时空弯曲，那么时空是什么？

爱因斯坦认为是物质的万有引力引起了时空弯曲：过去曾错误地认为物体通过引力来对其他物体的运动发生影响，而现在认为是物体影响其他物体在其中作自由运动的时空几何，改变后的时空中的这种自由运动，就是曾被错误地认为在原来时空中的受迫振动。现在，自然定律是一种涉及时空的几何命题，时空变成了一种度规空间。［爱因斯坦，《狭义与广义相对论浅析》，北京大学出版社，2006年，导读第36页］详见《爱因斯坦说时空弯曲，那么时空是什么？》。1919年，日全食的星光偏折现象被认为是证明时空弯曲的证据，这也是相对论被认为是正确理论的转折点。

问题是，如果时空空无一物，那么什么弯曲了呢？时间如何弯曲呢？我们知道，无论是时空还是空间，如果什么也没有也就不存在弯曲不弯曲，空无一物的概念与我们的科学常识相背离，是我们的常识需要修改还是空间的概念需要修改？

我们知道，科学理论为解释客观现实而存在，不仅需要实验证明，更要贴近客观现实而不是脱离客观现实。问题是，对于星光偏折现象，有没有基于客观常识的解释呢？当然有。答案就是经典物理学。

根据阿基米德定律和斯内尔的折射定律，光经过透镜时，光会在折射面和反射面上改变方向。根据折射定律，我们可以画出光的路径。

问题是，光为什么会折射呢？

根据费马最小光程定律，不同的煤质中光的传播速度不同，光线的传播路径应是使光尽快地传到终点。光的路径如有很小的偏差，所需时间就会延迟。根据光的波动理论，空间介质密度越高，光速越慢，空间介质密度越低，光速越快。以地球大气层为例，越接近地面大气密度越高，距离地面越远（越高）大气密度越低。

因此，薛定谔认为：当光从太空进入大气层越深，空气的密度越大，光的传播速度的越慢。虽然在传播速度上差异很小，但是根据费马原理，光线应向地面弯曲。这样，虽然在光速大的较高的大气层中路径较长，但也要比原比沿着较直线路径的光更早的到达终点。诸位一定看见过太阳落到地平线时不是圆的而是扁的，看起来垂直方向的直径好像缩短了，这正是光线弯曲的结果……根据光的波动理论，严格地说，光线只是虚构的意义，光线不是某些粒子的物理路径，而是一种数学图形，即所谓波阵面的正交轨迹，也就是想象的有指向的线。有向线垂直于波阵面，指向波的前进的方向。［薛定鄂《薛定鄂讲演录》207~208页］

（左图是波正面是同心球面，光线是直线。右图表示光线弯曲的情形。图1/2/3摘自薛定鄂《薛定鄂讲演录》207~208页）

薛定谔用一队正在前进的士兵来描述光的路径偏折原理。如果队伍中的人的步子不一样，右边人的步子小，左边人的步子大，那么队形将出现右倾，即光的传播路径向右偏折。薛定鄂认为：只有从波动理论的观点出发，才能正确理解费马原理，才不会感觉费马原理深不可测……从波动的观点看，把所谓的光线弯曲理解成波阵面偏斜更容易一些，因为当波阵面的相邻部分以不同的速度前进时，显然就会出现这种光线弯曲的情况。光线在大气折射时，波阵面的一部分应当偏斜，因为它的左半边处在（大气层的）较高层，这里空气稀薄些，因此比较低层的右半部分要前进得快一些……这是波阵面偏斜理论得出的结论……如此可见费马原理是波动理论的精华。［薛定鄂《薛定鄂讲演录》208页］

综上所述，空间弯曲的原理非常简单，就是空间介质密度的不均匀造成了不同传播路径上的光的速度不同，形成折射现象。

我们知道，经典光学可以自洽地解释海市蜃楼、幻日、佛光等等大气现象，这些都是空气密度不均匀引起的大气透镜现象，原理非常简单，这是非常简单的科学常识。问题是，广义相对论的时空弯曲理论能够自洽解释这些自然现象吗？

有人会说，广义相对论时空弯曲而不是空间弯曲。

是的，检验一个理论是否正确的一个方法是同一个逻辑是否可以解释不同的问题。广义相对论认为，物质的引力引起了空间弯曲的同时也引起了时间的弯曲，即时空弯曲。证明是，空间探测器的通讯路径靠近恒星时，通讯会发生延迟现象。

问题是，时间又不是物质，时间怎样弯曲呢？

事实上，所有的证据都是间接的，人们认为电磁波的通讯出现延迟是时间也发生了弯曲。真相很简单，电磁波的通讯出现延迟是因为最短的距离是直线，空间不均匀引起了光的传播路径并非直线，假设通讯的电磁波速度恒定，那么，弯曲的路径比（预计的）直线传播所需的时间要长，人们误以为是时间弯曲和时间变慢了，从而将时间和空间捆绑在一起。因此，时空弯曲的本质是空间不均匀引起了光的传播路径弯曲，没有任何证据证明时间违反了因果律。还有，空无一物的真空不存在弯曲不弯曲的问题。