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100年来，广义相对论仍然是科学家对引力的最佳理解，也是我们理解宇宙最宏大尺度的关键。它用数学精确地解释了质量和能量的分布是如何扭曲了时空，基本思想是十分简洁，不需要特别专业的知识就能理解。 爱因斯坦 广义相对论和万有引力 广义相对论主要论点是质量本身会导致时空弯曲。一个物体的质量越大，它周围的空间就越扭曲。它的场方程描述了质量与空间曲率和时间膨胀之间的关系。当一个小质量的物体，在大质量的物体附近运动的时候，也就是在大质量物体导致的这样的弯曲的时空中运动时，小质量物体会按照它自身所认为的最短距离进行运动，但是因为时空已经弯曲了，所以这个最短距离的路径一定是曲线，而不是直线。并由此为基础导致了一系列的这个大质量物体之间运动的动力学规律。它是基于由黎曼几何和非欧几里得几何等一系列计算，去确定物体的运动方程，这是一个动力学转化为运动学的方程，最后的描述还是由运动学方程所决定的。 质量导致时空弯曲 而之前，在天文学和引力方面，一直是牛顿的天下。万有引力定律可以解释低速情况下大质量或者说任何带质量物体之间受到的力。它在粗略的测量和观测当中都是正确的。但是它解释不了很多问题，比如说两个天体的高速运动的动力学规律，像是某天体以0.1个光速向另一个天体移动的时候，万有引力在这里就会计算失败。因为我们知道，根据狭义相对论，在高速运动里，质量会随速度而增加。再比如说如果天体发生融合，它们相互旋转、加速，这个体系中的质量会发生变化，从而引起空间的扭曲发生变化，这些都是要用引力波，用广义相对论时空弯曲的角度才能去解释，像万有引力的这种简单的模型是不可以的。 牛顿万有引力定律 广义相对论的诞生 1907年，在他的狭义相对论发表两年后，阿尔伯特·爱因斯坦意识到一个问题：狭义相对论不能应用于引力或正在承受加速度的物体。想象有一个人在地球上一个封闭空间里，他在这里能感觉到地球的重力场，比如说他重复比萨斜塔的实验，两个球都拥有9.8米每秒的加速度（即地球的重力加速度）。现在把同样的空间放在太空中，远离任何物体的重力影响，如果该空间也被施以9.8米每秒的加速度（我们可以想象火箭推着这个空间往上走），同样重复萨斜塔的实验，两个球还是拥有9.8米每秒的加速度，这个人在这个空间里不可能分辨出他们感受到的是重力还是匀加速。 爱因斯坦于是思考，如果是光，那么它在加速中会如何表现。如果在房间桌子上平放一个手电筒，因为加速，灯光看起来是向下弯曲的，并且最后和地板相交。光在重力场中会发生了弯曲。 广义相对论公式 爱因斯坦又花了几年时间才找到这些思想的正确数学表达式。1912年，爱因斯坦的朋友、数学家马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossman)向他介绍了伯恩哈德·黎曼(Bernhard Riemann)、图利奥·莱维-西维塔(Tullio Levi-Civita)和格雷戈里奥·里奇-库巴斯特罗(Gregorio riccio - curbastro)的张量分析，这使他能够在不同的坐标系中以相同的方式表达物理定律。 又过了三年艰苦的工作，在1915年11月，爱因斯坦发表了四篇论文，奠定了该理论的基础。 广义相对论是对的吗？ 我们怎么知道爱因斯坦的理论是正确的呢？自100年前发表以来，该理论已经通过了很多的各个方面的测试。 爱因斯坦用广义相对论成功来解释了水星近日点的移动。水星最接近太阳的地方，即近日点，会发生移动。这在爱因斯坦之前，一直是一个谜，用太阳和其他行星的引力完全解释不了。在19世纪，甚至有人认为在太阳附近还有一颗新的行星——火神星。但事实上并没有这样的星球，爱因斯坦从第一性原理计算出了水星近日点的移动。 左上为亚瑟·爱丁顿，右上为安德鲁·克罗姆林，下图为日全食 在科学世界里，对任何理论的一个检验是，看它能否预测到尚未被观察到的东西。广义相对论预言光在引力场中会发生弯曲。1919年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿和安德鲁·克罗姆林观测发生在巴西索布拉尔的日全食。根据广义相对论，一颗恒星发出的光，在经过太阳这颗大质量恒星时，会发生一定的扭曲。但这在平时很难测量。但在日全食时，月球挡住了来自太阳的强光，恒星发出的光比较容易被观测，通过那个时候拍摄的照片，他们测量并计算了恒星光线的偏转角度，结果与爱因斯坦广义相对论预言的基本吻合。广义相对论立即举世闻名。 广义相对论现在可能是只有物理系研究生时才会学到，但它其实在我们生活里无所不在，比如，在今天，我们的GPS卫星也必须考虑到广义相对论效应，才能为地球上我人们提供精确的位置测量。 如果我们对于这个理论一无所知，实在太过遗憾。而且，通过狭义相对论和广义相对论，我们也可以对爱因斯坦这位天才的科学家的思维过程有个线索，没准儿哪天也能在生活工作里，让我们灵光一闪。 如果喜欢这篇文章，请关注刘老师，每天带来硬核科普。 |
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来自： 飞华个人图书馆 > 《关于爱因斯坦的相对论的认识》
