喜欢题主的话题,不请自来了,但不是什么大神。
要了解这个问题,我们需要对比一下两种几何原理:欧式几何和黎曼几何。
首先,我们来看一下欧氏几何都说了啥。
欧氏几何公理:1.过相异两点,能作且只能作一直线(直线公理);2.线段(有限直线)可以任意地延长;3.以任一点为圆心、任意长为半径,可作一圆(圆公理);4.凡是直角都相等(角公理);5.两直线被第三条直线所截,如果同侧两内角和小于两个直角, 则两直线作会在该侧相交。
这五个公理其实为我们描述了一个平直的三维空间。时间作为一个游离在空间之外,独立均匀的标尺存在,跟空间不发生关系。这其实就是我们的经验空间,也是经典物理学所描述的世界,我们用一个三维坐标系就能精确定位空间中任意一点的位置,这个空间是均匀平滑的,跟我们日常经验的空间一致,比较好理解。我们就不多浪费笔墨了。
其次,看一下黎曼几何。这块老郭也只是个入门水平,不能说太深入,还请小伙伴们原谅。
黎曼几何以欧几里得几何和种种非欧几何作为其特例。例如:定义曲率(截面曲率处处为常数)(a是常数),则当a=0时是普通的欧几里得几何,当a>0时,就是椭圆几何,而当a<0时为双曲几何。
上面这段话您看明白了吗?如果没看明白,我们跟前面描述的欧氏几何跟黎曼几何做对比来分析吧。
第二、我们来对比一下,同样处理一个曲面,欧氏几何和黎曼几何不同的处理方法。
在欧氏几何中,如果我们要描述一个三维曲面S会怎么做呢?ds2=Edu2+2Fdudv+Gdv2,这就是传统欧氏几何的方法。这种方法依赖一个三维坐标系的结构,利用微分几何来描述这个面S。如果坐标系发生变化,那么欧氏几何的表达式就需要跟着变化。
黎曼通过研究欧氏几何发现,利用欧氏几何度量曲面的时候,会在同一个曲面上有许多不同的度量,这种度量其实只是强加在这个面上的一种测量结构。黎曼觉得这个事其实可以很简单,那就是取消三维坐标,利用流形切空间上二次形式建立一套新的坐标系,这个坐标系的参数为角度、弧线长度及体积,通过把每个微小部分加起来而得出整体的数量。这就是黎曼的度量结构。
我们把上面这个对比说得再简单一点
假设地球是一个绝对的球体,我们现在要描述一只狗在地球上跑过的路线。
在欧氏几何中,我们需要选择一个参考系,建立一个三维直角坐标系,然后用一个三元方程去描述这个狗跑过的路线。可以想象,如果我们选择的坐标系的参考系不同,那么这个三元方程的表达式是不同的。
在黎曼几何中就很简单了,黎曼用通过地球表面的经纬度作为坐标系。只需要考虑狗走过的弧长,对应的角度,以及球面的体积就可以了。用了这个坐标系,不论平移到哪里,表达式都是一样的。
说完了两种几何,我们来理解一下牛顿的时空和爱因斯坦广义相对论时空的区别
在牛顿看来,所有相对于绝对空间作匀速直线运动的参考系是惯性系,这对应的就是欧氏几何。
爱因斯坦的广义相对论里没有绝对空间,于是广义相对论里无法沿用牛顿的惯性系概念,也就是不能使用欧氏几何。
为了描述广义相对论,爱因斯坦使用了黎曼几何来描述。
现在让我们回到题主的问题上来
在大质量天体附近(比如黑洞)时空被弯曲,光线经过那里的时候,其实是沿着最短路线经过,也就是测地线。这条弯曲的线对应的才是平直时空的直线,。所以我们看到的光线走过的路径就是弯曲的。
最后这段话有点拗口,没办法,老郭水平也就这样了,小伙伴们将就着理解一下吧。诶嘛,为了写这个回答,我几乎吐血了。
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