核心概念
物理学
质量
引力
时空
简介
诸如“广义相对论”、“引力阱”和“时空连续体”这样的词听起来是否令人生畏？别担心，你不需要成为阿尔伯特·爱因斯坦才能理解它们！试试这个有趣的活动，用一些常见的家用材料来了解这些概念和黑洞。
背景
我们时时刻刻都在体验着引力。它如此融入我们的生活，以至于我们可能不会过多思考它。它让我们的双脚稳稳地站在地面上，不会漂浮到太空中。如果我们向上抛球，它会落回地面。很简单，对吧？
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在经典力学或牛顿力学中，引力被描述为在两个物体之间起作用的力，将它们拉在一起。从技术上讲，任何具有质量的物体都会对其他物体施加引力。然而，物体之间的这种力通常太小，我们感觉不到。例如，你感觉不到站在你旁边的人对你的侧向引力，甚至感觉不到汽车或建筑物等更大的物体对你的侧向引力。我们只能感受到来自地球等巨大质量的引力。
爱因斯坦的广义相对论对引力的描述略有不同。首先，它将空间和时间描述为一种称为时空的“结构”或“连续体”。（如果你把空间看作是三维的，然后把时间作为另一个维度加入，那么你就会得到一个四维的东西。）广义相对论将引力描述为这种四维时空的曲率，而这种曲率是由质量引起的。因此，像地球这样的大质量会导致时空的大曲率，而像我们身体这样的小质量几乎不会引起任何曲率。如果这听起来令人困惑，别担心，这个活动会帮助你将其可视化。
尽管地球的引力非常强，我们仍然可以建造火箭和宇宙飞船来逃脱它，并飞往太阳系的其他地方。我们还可以将诸如光或无线电波之类的电磁辐射发送到太空中。然而，黑洞是太空中质量非常大，引力非常强（也就是说，它使时空弯曲的程度非常大）的物体，几乎没有任何东西可以逃脱它——甚至连光也不能。任何太靠近黑洞（在称为事件视界的区域内）的东西都会被吸进去。你可能会想，天文学家是如何知道黑洞存在的。毕竟，如果光不能逃脱它们（这意味着它们不发光或反射光），我们如何才能看到它们？科学家知道黑洞的存在，因为我们可以观察到它们对其他天体（如恒星）的影响。例如，恒星的轨道可能会受到附近黑洞引力的影响，我们可以观察到物质被吸入黑洞（在它消失在事件视界之后）。
在这个活动中，你将使用一些简单的家用材料来演示像黑洞这样的大质量是如何使时空弯曲的——以及这对其他附近的物体有什么影响。
材料
弹性织物，如涤纶/莱卡 T 恤（不是棉的）或大块运动绷带
圆形重物，如苹果、橙子或台球
两个弹珠或乒乓球
两个帮手
记号笔和尺子（可选）
准备工作
如果你使用运动绷带，请从中剪下一大块矩形。
让你的两位志愿者抓住弹性织物的角，将其拉紧并保持平坦。这种织物代表时空。
步骤
将一个弹珠放在织物上的某个地方，观察它。会发生什么？
现在，将一个弹珠在织物上滚动，观察它的运动。它的路径呈什么形状？
将你重的圆形物体放在织物中间。确保你的志愿者仍然拉紧织物，使其没有褶皱或凸起——尽量使其尽可能光滑。织物会发生什么变化？
接下来，将弹珠放在织物边缘附近，然后松开它。会发生什么？
现在尝试将弹珠从织物的一侧滚动到另一侧。这困难吗？弹珠的路径形成什么形状？
尝试以不同的速度在织物上滚动弹珠。如果你缓慢地滚动弹珠会发生什么？快速地滚动又会发生什么？它的路径形状如何改变？你需要滚动弹珠的最小速度是多少，才能防止它被吸入较大的球？
尝试同时在织物上滚动两个弹珠。弹珠是否会互相影响运动（假设它们不碰撞）？
额外活动：如果你不介意在你的织物上画画，请将其平铺在桌子上。使用尺子和记号笔在织物上绘制一个正方形网格。网格应由彼此以直角相交的线组成。现在重复该活动。网格会发生什么变化？
观察和结果
你可能一开始会认为这项活动的结果是显而易见的。当你将织物放平时，将一个弹珠放在上面，弹珠不会移动。如果你在平坦的织物上滚动弹珠，它会沿直线移动。这不足为奇！但是，请记住，你的织物代表时空。当织物上不存在大质量物体时，它根本不会弯曲，这就是为什么当你在平坦的织物上滚动弹珠时，它只能静止在那里或沿直线移动。这就是如果没有黑洞在附近，光束在空间中传播的方式。
当你将一个重球放在织物中间时，它会导致织物向下弯曲，就像大质量物体（如行星、恒星或黑洞）的存在会导致时空弯曲，形成引力阱一样。现在，几乎不可能让弹珠静止不动——它总是会滚向中间。当你尝试使弹珠沿直线滚动时，它会沿着弯曲的路径运动。只要弹珠没有太靠近中间，你仍然可以将其从织物的一端滚动到另一端——类似于光束经过黑洞附近（但不在事件视界内）时会弯曲，但之后会继续前进的方式。但是，如果它太靠近中心，弹珠就会被吸进去并且无法逃脱——就像光如果最终进入黑洞的事件视界内就无法逃脱一样。
当你一次滚动两个弹珠时，你可能会注意到（只要它们不发生碰撞）它们实际上并没有相互影响彼此的运动。这是因为弹珠不够重（它们的质量不够大），无法在织物上引入任何额外的曲率。所有的曲率都归因于中间更重的球。这说明了为什么我们只注意到地球的引力将我们向下拉，而不会被其他人、汽车或建筑物等其他物体向侧面拉——与地球相比，它们的引力太弱了。
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