反引力不是科幻,爱因斯坦的引力理论送你最简

时间:2020-06-07编辑:admin

人类天生就对未知世界充满着好奇,与往常一样,前段时间巴西出现疑似UFO的一组照片,又一次在网上掀起了轩然大波。大家印象中UFO具有两个特点:飞行速度极快;可以克服惯性、肆意改变飞行轨迹。因此有好多人猜测,UFO的飞行原理可能建立在某种反引力技术之上。再加上大量科幻作品的渲染,排斥性的引力作用——反引力,似乎成为了一个科幻标签。

实际上排斥性引力——反引力,不但不属于科幻概念,其背后反而具有严格的理论依据,我们所处的现实宇宙中可以说处处存在着反引力!

现代物理学对引力的描述建立在广义相对论的基础上,要理解反引力,我们就必须从广义相对论出发。爱因斯坦的引力场方程中包含着描述四维时空弯曲度的曲率张量及描述物质分布的能量动量张量。因此引力场方程描述的是物质分布如何决定时空弯曲的问题。

先来看什么是张量。广义相对论要求物理规律(方程)在参照系变换中保持形式不变,这就要求物理量必须与参照系变换中坐标系的变换规律联系起来,因此出现了张量——逆变张量、协变张量以及混合张量。

在参照系变换中按照坐标的变换规律而变换的量称为逆变张量,按照标量(只有大小没有方向的量)导数的变换规律而变换的量称为协变张量。而描述物质分布的能量动量张量具体的矩阵形式见下图。

在矩阵中,Tik表示矩阵中第i行第k列的元素。上图中其中T11是能量密度,T1i、Ti1是能量流密度,其余各项是动量流密度。动量流密度Tαβ(α、β取2、3、4)是指单位时间内穿过垂直于xβ轴的单位面积的动量的α分量。

因此,能量动量张量中的Tαβ项跟经典物理学中的压强有着紧密的联系,回忆一下压强是指单位面积上所受的力。进一步,空间中物质分布造成的压强分布的不同就会直接引起时空几何形状(时空曲率)的改变,导致出现引力效应。

为了说明反引力,我们必须引入负压的概念。一般生活中常见的压强属于正压,例如高压锅煮饭时锅内的蒸汽会产生一种强烈的向外扩张的力,这种向外扩张的力作用在锅的内壁上就产生了正压。

负压与正压的方向相反,它的作用力会产生向内部挤压的效果,一张破裂的气球外皮,我们用力将它拉展开,在它的表面就会产生向内部挤压的力,再将这张气球外皮想象为三维的,那么负压就形成了。

通过对引力场方程进行分析,物理学家发现,当动量流密度Tαβ在空间中形成正压时,时空弯曲造成的引力作用会是相互吸引的,就像太阳的组成物质由于总是具有向外扩张的强烈趋势,因此会在整个空间内形成了正压,产生吸引性的引力使八大行星持续围绕着它运转。

当动量流密度Tαβ在空间中形成负压时,引力作用的方向就会出现反转,产生排斥性引力。另外,如果在爱因斯坦方程中加上一个适当的常数项(见下图),更奇怪的事情就会发生,引力的作用效果将会分为两部分,吸引性的引力部分由产生正压的能量动量张量引起,排斥性的引力部分则由负压效果的常数项引起。

那么,负压到底能不能够在现实宇宙中出现呢?答案是,真空中无处不在的希格斯粒子场的存在,相当于给爱因斯坦方程添加了一个能够引起负压的常数项,这个宇宙常数项引起的排斥性引力就是宇宙加速膨胀的一部分原因。