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2003 年 10 月 16 日

人類對於宇宙的科學認知 (16) : 愛因斯坦廣義相對論中的時空概念
     提供者 : 陳輝樺 (AEEA 小組 , NMNS )

說明 : 牛頓 力學裡所論述的作用力到底是什麼 ? 有何特性 ? 我們可以如何著手瞭解呢 ? 牛頓第三運動定律中特別提及的「交互作用力」一詞, 是牛頓力學中重要的研究作用力的方法描述。 但此運動定律所提及的作用力與反作用力間真的是「同時」發生嗎 ? 作用力與反作用力間的「交互作用」本質是如何呢 ? 即使有了「交互作用」的探究工具,但這種直接干預式的量測過程中是不是也會改變了原有想瞭解的事實? 若是物質間的一方尚有不易產生「交互作用」的特質,我們又該怎麼辦呢 ? 上述這些疑惑似乎有待進一步地後續探討。

        阿爾伯特 • 愛因斯坦於 1915 年完成了廣義相對論, 並於 1916 年發表。廣義相對論大大地修正了已有 250 年的 牛頓重力理論。 在牛頓重力理論中,萬有引力 (重力)是質量間互相吸引的交互作用力, 也是質量大的物體吸引其他物質的力量。 行星被視為是受到 太陽的重力影響 而環繞太陽在橢圓軌道上運行。 但在愛因斯坦描述的宇宙中,重力不是一種外力, 而是嵌入於一個敘述空間和時間的『時空場』中。 因此,當物體通過這個時空場而運動時, 仿如像太陽這樣的大質量物體可使它周圍的「時空連續結構」彎曲, 太陽系的行星就會沿著時空場中彎曲的路線運動。 上圖是兩顆星球會面時,彼此受到對方的重力作用使得可能相互變換路徑的想像圖。

        愛因斯坦指出:「物質的分布決定著空間的彎曲; 彎曲的空間描述著物質會如何的運動」。 廣義相對論精確地揭示了經過太陽附近會發生的彎曲偏折程度。 廣義相對論反覆地被觀測和實驗所證實,它的一個推斷是「宇宙」必然會不斷膨脹的, 由此形成了「宇宙大爆發」理論的基礎。 此外,廣義相對論對於解釋黑洞類星體奇異星體 的運動來說是十分重要的。

明日主題 : 人類對於宇宙的認知 (17) : Alexander Friedmann 的宇宙膨脹論點
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主編 : 陳輝樺 、 王夕堯
                          諮詢服務 : 陳輝樺 或 (NMNS 國立自然科學博物館)
                                  王夕堯 (NTPU 國立台北大學)
                                                       蘇明俊 (NKNU 國立高雄師範大學科教所)


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