白话‘场方程’

          ——从零基础学起

一般人对‘场方程’，只是打个照面而已，

通过学习能留些印象就不错了。

如您所知，科普读者不能学得太多，

只有那些深研‘高数’或‘天文物理’的人，

才能真正了解‘场方程’的意义。

吾生有涯，而知也无涯。 

以有涯随无涯，殆（dài ，险）已。* 

既如此，我们首先要做的是需要了解

一些术语或概念的含义。

因为概念是数学推理的本源。

对我们而言，这些含有哲学意味的根基，

在某种程度上说，是不是比数学重要啊。

不过话说回来，在前一文中，有说：

场方程最初不是来自数学

（最初是爱因斯坦结合

    一些公设、原理设计出来的）。

现在想来，这话说得实在轻飘！

实际情况是，

场方程虽然离不开物理公设，

但是这个方程

是伴随着十分复杂的过程才诞生的。

在方程的形成中，

不但有反复细致的计算，

而且还有超难度的天体观测

（其间包含了许多科学家对日食的观测），

就是说，场方程是在反复的计算

与多次观测数据、

两者完美结合的基础上才产生的。

好，

现在让我们从方程所涉及的一些术语学起吧。

一  什么是方程？

所谓方程是指含未知数的等式。

方程是表示两个数学式

（如两个数、物理量等）相等的式子。

其中，使等式成立的未知数的值，称为“解”。

求解的过程，叫“解方程”。

例如：3X+3=2   

其中，X代表未知数。

求X 值的过程，就叫“解方程”。

二  什么是引力场方程？

顾名思义，

引力场方程是描述‘引力’的等式。

这个等式描述了时空的几何性质。

并且，引力场方程反映了马赫原理*的思想。

*马赫原理是指物体的运动

是相对宇宙中其他物质的相对运动。

就是说，不仅速度是相对的，

加速度也是相对的！

在‘非惯性系’中，

物体所受的惯性力是某种引力

（重力）的表现（惯性力与引力等效），

这种引力（或重力）

是宇宙中其他物质对该物体作用的结果。

广义相对论认为，引力场方程

描述了引力是由物质与能量

所产生的时空弯曲造成的。

如同牛顿引力理论认为，

质量是引力的来源，

爱氏相对论认为，

不但质量是引力的来源，

而且动量等也是引力的来源。

当我们知道‘物质’与‘能量’等

是如何在时空分布的，

我们就能通过计算出时空的‘曲率’，

这种时空的曲率，即能生成引力。

总之，物质等因素的分布，形成时空曲率；

时空曲率产生引力。

就像，当我们知道一座桥的各组成部分，

就能了解这座桥的桥面是平直的、

还是弯曲的，如果桥面是弯曲的，

还能了解它是大弯、还是小弯的，等等。

就是说，场方程可以计算出物质、动量等所造成的时空曲率，

时空弯曲的曲率与物体在引力场运动的轨迹相关。

一个人的百十来斤身体，究其本源，

也是由宇宙时空的物质总体，

与小的局部时空的物质，

相互作用形成的（《马赫原理》）。

或者说，大时空和小时空的物质分布，

形成时空弯曲，时空弯曲形成了人的体重。

天啊，如果把马赫原理用到星际空间，

我们还能接受，但是说万物的重力（或引力）

也都由弯曲空间形成，那就是太绕了，

没办法，相对论就是这样暗示的……。

我想，对于一支笔或一个人的重量，

如果用场方程计算，

那么这支笔或这个人的‘时空弯曲’曲率，

会是无限小的吧（参看下面推荐的《百秒说科学》视频），

所以对日常之物的重量，就不用麻烦场方程了

生活中人们都是用牛顿公式来计算物体的重量的。

 2分钟

爱因斯坦认为，

时空的几何形状不是固定不变的。

他说，带质量的物体，

会改变周围时空的几何形状。

我们可以想象，一个没有物质的时空，

就像一张平整的弹簧床，

若有东西压在弹簧床上，

弹簧床就会凹下去而产生形变，

例如，太阳会使得它周围的时空变形，

于是位于太阳周遭时空中的行星，

便会依照这个时空弯曲的形状而绕着太阳转。

当2个质量超大的物体，例如，2个黑洞，

在时空中互绕的时候，

便会不断地改变周围时空的曲率，

这种变化会向外传播，

就像水滴落在湖面时产生的涟漪，

这种时空涟漪，就是重力波。

2015年9月14日

科学家首次利用镭射干涉重力波，

天文台侦测到的重力波，

是13 亿年前2个黑洞快速互绕，

最终结合在一起时所释放放出来的。

2个黑洞的质量，分别是太阳质量的29倍跟36倍。

当这个重力波穿过地球时，

地球上的物体，会在很短的那一瞬间，

被压扁、拉长，但是因为这个变化很细微，

以长度为1公里的距离来说，

这个变化相当的变化量

只有0.000.000.000.000.000.001

这种长度比原子核的直径还要小1千倍，

所以很难侦测，但是这么小的变化，

现在却被LIGO

（激光干涉引力波天文台）实验团队

明确捕捉到了。

观测重力波就像在倾听宇宙发出的小小声音，

尽管微弱，却能让我们听到宇宙深处的秘密。

【温馨友提】

“吾生也有涯，而知也无涯。

 以有涯随无涯，殆（dài ，险）已！

为善无近名，为恶无近刑，

督（督率治理）以为经（准则），

可以保身，可以全生，可以养亲，可以尽年。”

《庄子·养生·吾生也有涯，而知也无涯》

大意：

生命是有限的、知识是无限的。

以有限的生命，去追求无限的知识，注定失败。

知道了这事，仍要强求，那失败是注定的。

人生在世，对待知识与生命的态度，

应该是——做好事不留名，但是

万一做了坏事，亦不可触犯刑法噢。

随时督率治理己身，

以修身炼己为处世（唯一）准则，

如此做，就可保护生命、保全天性，

亦可养亲、尽年……。

 万分感激，谢谢。