边界层 为什么质量会弯曲空间,空间中究竟是什么被弯曲了
约翰·达菲尔德(计算机科学学位 + 物理侦探)回应说,质量实际上并不会使空间弯曲。
能量的集中对周围的空间有影响。基于广义相对论,爱因斯坦说“引力场的能量应以与其他能量相同的方式起作用”。地球这样的大质量物体之所以有引力,是因为物质是能量的集中,因此E=mc2。但请注意,一个无质量的光子也会引起引力,就像任何一种能量一样。
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此外,这种能量实际上不会使周围的空间弯曲。它只是使空间不均匀。1920年,爱因斯坦提到:“这种时空变异性的相互关系是时空标准的相互关系,‘空的空间'在物理关系上既不是均匀的也不是各向同性,这一事实迫使我们用十个函数来描述它的状态。我认为,这最终改变了空间是空的观点。”这个非均匀空间被建模为弯曲时空,非均匀真空是弯曲时空的另一种解释。我们说时空是弯曲的,但并不认为空间本身是弯曲的。我们提到的空间弯曲,不是空间的曲率,而是时空的曲率。空间不是弯曲的,而是非线性的、非齐次的,所以测量图是弯曲的。
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还要注意的是,这里引起混淆的一件事是地球本身是弯曲的,你可以通过“放大”,改变曲度。放大后你会感觉空间是不均匀的,而不是弯曲的。请注意,应力能张量与定向压力有关,空间被有效地“向外推”,这种效应随着距离的增加而减小。
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至于空间中到底是什么被弯曲了,或者说到底是什么被改变了,答案就是空间本身。不要认为太空是虚无的。爱因斯坦认为它是一种幽灵般有弹性、可以施加压力的东西。至于能量是如何做到这一点的,没有人确切知道。但是把空间想象成一种透明的果冻,现在用皮下注射针在中间注射更多的果冻。你会给周围的果冻施加压力,产生类似于引力场的东西。但是注意,你把果冻注射到果冻里了。虽然在空间和能量之间似乎有某种深层的联系,但它们是同一样东西。
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但是这些都是修辞手法,不能照字面意思理解。根据广义相对论,质量产生引力场,在引力场中对物体的运动施加压力。压力影响在场中发生作用的速率,在格拉晓夫数Gr中称为引力时间“膨胀”(我在膨胀这个词上加引号,是因为它意味着固体中孔径的增大,时间不是固体或任何物质,它只是观察行为的概念性背景)。该引力场在产生该场的质量聚合体表面引力最强。越接近表面,运动的速度(时间)越慢。这四种作用是:综合、衰减、振荡和空间位移(线性运动)。
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格拉晓夫数Gr并没有解释或提供质量如何产生引力场的机制,也没有说明引力场的能量如何减缓这些运动的速度,但它确实提供了对线性运动的描述。在引力场中运动的物体,如果靠近产生该场的质量聚集体表面的那一面,那么必定比远离表面的那一面运动得更慢,这种速率的差异会使物体沿着格拉晓夫数Gr所称的黎曼测地线运动。测地线在我们看来是弯曲的,因为我们用欧几里得的平面性和直线可以将空间形象化,现实世界中却不存在这些条件。
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以上这些每次都说得太多了,我们可以称其为时空的曲率。时空是抽象的,是真实物体和力量活动的概念背景。它既不是物质,也不是力(尽管两者都包含在内)。它并不会像压力下的橡胶那样产生变形,它只是格拉晓夫理论中的一个讨论点。格拉晓夫数中的数学方程被称为场方程,就像引力场一样。它们不叫“时空方程”,因为那是毫无意义的。
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相关知识:
格拉晓夫数,自然对流浮力和粘性力之比,控制长度和自然对流边界层厚度之比。格拉晓夫数Gr在自然对流过程中的作用相当于雷诺数Re在受迫对流过程中的作用,其大小能确定边界层的流动状态。自然对流边界层从层流变为紊流也取决于一个无量纲准则格拉晓夫数Gr。此无量纲准则将从自然对流的微分方程式的无量纲化中产生。当格拉晓夫数相当大,约Gr>10E9时,自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态。
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