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思辨学百问(27)时空会不会弯曲?

(2010-01-05 11:46:56)
标签:

杂谈

分类: 思辨学百问

飞机有时飞弧线比飞直线更省时间更省油,这能不能说明时空有时是弯曲的?

霍金在他的《时间简史》一书中为我们提供了这样一个例子:从纽约起飞的飞机如果一直向东飞行,最终到达马德里的飞行里程是 3707英里。而从纽约起飞的飞机如果先往东北方向,然后逐渐转向东方,最后转向东南方向飞行,只需3605英里即能到达目的地。

可是,西班牙的马德里位于美国纽约的正东面,两地基本上处于同一个纬度上。从地图上看,从纽约到马德里最短的飞行距离似乎应该是朝着正东方向的一条直线。为何纽约与马德里之间的直线飞行距离会比弧线飞行距离要长?

这种看似有违常理的现象便是所谓的测地线问题。一直以来,学术界无不认为这一问题是由时空弯曲或者翘曲造成的。似乎时空就像一张纸,想怎么弯曲便怎么弯曲。然而,我们却有理由对此表示怀疑。因为,这一测地线的问题完全可以用常理来解释。

首先,让我们来举一个例子。假设,有两个人准备乘坐各自的快艇横渡一条湍流的河。其中一个人在横渡的过程中始终瞄着河对岸直线距离最近的那个目标点行驶,而另一个人则在横渡的过程中先瞄着偏上游的方向行驶,尔后再朝着目标点行驶。当两个人都到达目标点时,便会发现前者横渡的实际距离要比后者长得多。

原因何在?很简单,这是由于湍流使快艇产生了位移。而快艇要想消除位移的因素,则必须朝着与湍流相反的方向加力。确切地说就是将快艇朝着偏上游的方向行驶。当快艇朝上游方向移动的速度恰好等于湍流的速度时,快艇实际上行驶的路径便是一条直线。

相比之下,飞机也存在“位移”的问题。因为,地球在自转和公转,太阳系也不是静止不动的。

如果我们暂时抛开太阳系运行和地球公转的因素,那么,从理论上看,飞机离开地面后在空中的运行速度应该等于飞机发动机的运行速度加上由地球自转造成的惯性速度之“和”。但是,由于空气阻力的因素,飞机在空中的实际运行速度应该小于这个“和”。

假设,在空气阻力的影响下,飞机发动机的速度不变,由地球自转造成的惯性速度减少。那么,地球自转速度与飞机惯性速度之间的差异便是造成飞机与地球相互位移的根本原因。由于地球的自转是自西向东转动的,所以如果站在地球北极的高空向下俯视,马德里相对于从纽约起飞的飞机来说是在不断地朝着东北方向位移。

因此,从纽约起飞的飞机必须提前朝着东北方向飞行才有可能尽快地与不断地朝东北方向位移的马德里会合。从地图上看,似乎飞机是先向东北,然后逐渐转向东方,最后转向东南方向。其实,如果站在地球北极的高空往下看,飞机所飞行的路径是一条始终朝着东北方向的直线。

而如果从纽约起飞的飞机始终朝着正东方向飞行,其实际飞行距离应该是“纽约至马德里的实际距离”加上“飞机惯性速度与地球自转速度的差所产生的距离”之和。如果站在地球北极的高空向下俯视,其结果与我们在地图上看到的情况刚好相反,飞机朝正东方向飞行的路径是一条围绕着地球北极而形成的弧线。

由此可见,飞机的测地线问题与“时空”是否弯曲应该是没有关系的。而有关太空测地线的问题牵涉到了光的本质,光的本质一天不明了,太空测地线是否是时空弯曲造成的问题就留有问号。

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