核心概念
物理學
質量
引力
時空
簡介
諸如“廣義相對論”、“引力阱”和“時空連續體”這樣的詞聽起來是否令人生畏？別擔心，你不需要成為阿爾伯特·愛因斯坦才能理解它們！試試這個有趣的活動，用一些常見的家用材料來了解這些概念和黑洞。
背景
我們時時刻刻都在體驗著引力。它如此融入我們的生活，以至於我們可能不會過多思考它。它讓我們的雙腳穩穩地站在地面上，不會漂浮到太空中。如果我們向上拋球，它會落回地面。很簡單，對吧？
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在經典力學或牛頓力學中，引力被描述為在兩個物體之間起作用的力，將它們拉在一起。從技術上講，任何具有質量的物體都會對其他物體施加引力。然而，物體之間的這種力通常太小，我們感覺不到。例如，你感覺不到站在你旁邊的人對你的側向引力，甚至感覺不到汽車或建築物等更大的物體對你的側向引力。我們只能感受到來自地球等巨大質量的引力。
愛因斯坦的廣義相對論對引力的描述略有不同。首先，它將空間和時間描述為一種稱為時空的“結構”或“連續體”。（如果你把空間看作是三維的，然後把時間作為另一個維度加入，那麼你就會得到一個四維的東西。）廣義相對論將引力描述為這種四維時空的曲率，而這種曲率是由質量引起的。因此，像地球這樣的大質量會導致時空的大麴率，而像我們身體這樣的小質量幾乎不會引起任何曲率。如果這聽起來令人困惑，別擔心，這個活動會幫助你將其視覺化。
儘管地球的引力非常強，我們仍然可以建造火箭和宇宙飛船來逃脫它，並飛往太陽系的其他地方。我們還可以將諸如光或無線電波之類的電磁輻射傳送到太空中。然而，黑洞是太空中質量非常大，引力非常強（也就是說，它使時空彎曲的程度非常大）的物體，幾乎沒有任何東西可以逃脫它——甚至連光也不能。任何太靠近黑洞（在稱為事件視界的區域內）的東西都會被吸進去。你可能會想，天文學家是如何知道黑洞存在的。畢竟，如果光不能逃脫它們（這意味著它們不發光或反射光），我們如何才能看到它們？科學家知道黑洞的存在，因為我們可以觀察到它們對其他天體（如恆星）的影響。例如，恆星的軌道可能會受到附近黑洞引力的影響，我們可以觀察到物質被吸入黑洞（在它消失在事件視界之後）。
在這個活動中，你將使用一些簡單的家用材料來演示像黑洞這樣的大質量是如何使時空彎曲的——以及這對其他附近的物體有什麼影響。
材料
彈性織物，如滌綸/萊卡 T 恤（不是棉的）或大塊運動繃帶
圓形重物，如蘋果、橙子或檯球
兩個彈珠或乒乓球
兩個幫手
記號筆和尺子（可選）
準備工作
如果你使用運動繃帶，請從中剪下一大塊矩形。
讓你的兩位志願者抓住彈性織物的角，將其拉緊並保持平坦。這種織物代表時空。
步驟
將一個彈珠放在織物上的某個地方，觀察它。會發生什麼？
現在，將一個彈珠在織物上滾動，觀察它的運動。它的路徑呈什麼形狀？
將你重的圓形物體放在織物中間。確保你的志願者仍然拉緊織物，使其沒有褶皺或凸起——儘量使其儘可能光滑。織物會發生什麼變化？
接下來，將彈珠放在織物邊緣附近，然後鬆開它。會發生什麼？
現在嘗試將彈珠從織物的一側滾動到另一側。這困難嗎？彈珠的路徑形成什麼形狀？
嘗試以不同的速度在織物上滾動彈珠。如果你緩慢地滾動彈珠會發生什麼？快速地滾動又會發生什麼？它的路徑形狀如何改變？你需要滾動彈珠的最小速度是多少，才能防止它被吸入較大的球？
嘗試同時在織物上滾動兩個彈珠。彈珠是否會互相影響運動（假設它們不碰撞）？
額外活動：如果你不介意在你的織物上畫畫，請將其平鋪在桌子上。使用尺子和記號筆在織物上繪製一個正方形網格。網格應由彼此以直角相交的線組成。現在重複該活動。網格會發生什麼變化？
觀察和結果
你可能一開始會認為這項活動的結果是顯而易見的。當你將織物放平時，將一個彈珠放在上面，彈珠不會移動。如果你在平坦的織物上滾動彈珠，它會沿直線移動。這不足為奇！但是，請記住，你的織物代表時空。當織物上不存在大質量物體時，它根本不會彎曲，這就是為什麼當你在平坦的織物上滾動彈珠時，它只能靜止在那裡或沿直線移動。這就是如果沒有黑洞在附近，光束在空間中傳播的方式。
當你將一個重球放在織物中間時，它會導致織物向下彎曲，就像大質量物體（如行星、恆星或黑洞）的存在會導致時空彎曲，形成引力阱一樣。現在，幾乎不可能讓彈珠靜止不動——它總是會滾向中間。當你嘗試使彈珠沿直線滾動時，它會沿著彎曲的路徑運動。只要彈珠沒有太靠近中間，你仍然可以將其從織物的一端滾動到另一端——類似於光束經過黑洞附近（但不在事件視界內）時會彎曲，但之後會繼續前進的方式。但是，如果它太靠近中心，彈珠就會被吸進去並且無法逃脫——就像光如果最終進入黑洞的事件視界內就無法逃脫一樣。
當你一次滾動兩個彈珠時，你可能會注意到（只要它們不發生碰撞）它們實際上並沒有相互影響彼此的運動。這是因為彈珠不夠重（它們的質量不夠大），無法在織物上引入任何額外的曲率。所有的曲率都歸因於中間更重的球。這說明了為什麼我們只注意到地球的引力將我們向下拉，而不會被其他人、汽車或建築物等其他物體向側面拉——與地球相比，它們的引力太弱了。
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