相对论全文

相对论

爱因斯坦的第二相对论(1916)。这个理论认为引力是由时空几何(即不仅考虑空间中的点与点之间的距离,还考虑时空中的点与点之间的距离的几何)的扭曲引起的,因此引力场影响了时间和距离的测量。

广义相对论:爱因斯坦的理论,认为所有的观察者(不管他们如何运动)基于科学定律必须有相同的想法。它根据四维时空的曲率来解释引力

广义相对论?)是爱因斯坦在1915年用几何语言建立的引力理论,它融合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律,改变引力来描述时空中被物质和能量弯曲的时空,以取代引力是一种力的传统观点。所以,狭义相对论和万有引力定律只是广义相对论在特殊情况下的特例。狭义相对论是没有重力的情况;万有引力定律就是距离近,引力小,速度慢的情况。

背景

1907年,爱因斯坦在狭义相对论中发表了引力和加速度对光的影响的论文,广义相对论的雏形开始形成。1912年,爱因斯坦又发表了一篇论文,讨论如何用几何语言描述重力场。至此,广义相对论的运动学出现了。1915年,爱因斯坦的场方程发表,整个广义相对论的动力学终于完成。

1915以后,广义相对论的发展大多集中在求解场方程上,解的物理解释和寻找可能的实验和观测也占了很大一部分。但由于场方程是一个非线性偏微分方程,求解起来比较困难,所以在计算机应用于科学之前,只求解了少数几个解。有三个最著名的解:史瓦西解(1916),Reissner-Nordstr?m解和克尔解.

广义相对论的观测也有很多进展。水星的岁差是证明广义相对论正确性的第一个证据,是在相对论出现之前测得的,直到爱因斯坦发现才得到理论上的解释。第二个实验是1919爱丁顿测量非洲日食时太阳引力场引起的星光偏转,与广义相对论预言的完全一致。此时,广义相对论已经被大众和大多数物理学家广泛接受。之后有很多实验来检验广义相对论的理论,证实它的正确性。

此外,宇宙的膨胀也造就了广义相对论的又一个高潮。从1922开始,研究人员发现场方程的解将是一个膨胀的宇宙,爱因斯坦自然不相信那个时候宇宙会上升或下降,于是他在场方程中加入了一个宇宙常数,使求解一个隐含定义宇宙的解成为可能。但是这个解决方案有两个问题。理论上,一个隐藏宇宙的解在诉讼中是不稳定的。此外,在1929年,哈勃发现宇宙实际上正在膨胀。这个实验结果让爱因斯坦放弃了宇宙常数,并宣称这是我一生中最大的失策。

但是根据最近对一颗超新星的观测,宇宙的膨胀正在加速。于是宇宙常数似乎有了复活的可能,宇宙中的暗能量可能要用宇宙常数来解释了。

基本假设

等效原理:重力和惯性力完全等效。

广义相对论原理:物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。

主要内容

爱因斯坦提出了“等效原理”,即引力和惯性力是等效的。这个原理是基于引力质量和惯性质量的等效。根据等效原理,爱因斯坦将狭义的相对性原理推广到广义的相对性原理,即物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。物体的运动方程是参考系中的测地线方程。测地线方程与物体本身的固有性质无关,只取决于时间和空间的局部几何性质。而引力是时空局部几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲。在弯曲的时空里,物体仍然沿着最短的距离运动(也就是沿着测地线——在欧几里得空间里)。比如太阳引起的地球在弯曲时空中的测地线运动,实际上是绕着太阳转,产生引力效应。就像在地球的曲面上,如果做直线运动,实际上是绕着地球表面的大圆走。

引力是时间和空间的局部几何性质的表达。虽然广义相对论是爱因斯坦创立的,但其数学基础可以追溯到欧几里德几何的公理以及几个世纪以来为证明欧几里德第五公设(即平行线永远等距)所做的努力。这种努力在罗巴切夫斯基、波尔约和高斯的工作中达到顶峰:他们指出欧几里得的第五公设不能被前四个公设证明。高斯的学生黎曼发展了非欧几何的一般数学理论。所以也叫黎曼几何或曲面几何。在爱因斯坦发展广义相对论之前,人们认为非欧几何不能应用于现实世界。

广义相对论的基本原理

由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对论原理推广到非惯性系,提出了广义相对论第一原理:广义相对论原理。它的内容是,在描述自然规律时,所有的参照系都是等价的。这和狭义的相对性原理有很大不同。在不同的参考系中,所有的物理定律是完全等价的,在描述上没有区别。但在所有参考系中,这是不可能的。只能说不同的参照系同样能有效地描述自然规律。这就要求我们找到更好的描述方法来满足这一要求。通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3。14。所以一般的参照系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变的原理:光速在任何参考系中都是不变的。相当于光的时空点固定在四维时空。时空是直的,光在三维空间中以光速直线运动。时空弯曲时,光在三维空间中沿着弯曲的空间运动。可以说引力可以使光偏转,但不能加速光子。第三个原则是最著名的对等原则。有两种质量。惯性质量是用来衡量物体的惯性,最初是由牛顿第二定律定义的。引力质量是对物体引力电荷的度量,最初是由牛顿万有引力定律定义的。这是两条不相关的法律。惯性质量不等于电荷,甚至到目前为止都不重要。那么惯性质量和引力质量(引力电荷)在牛顿力学中应该没有任何关系。然而,它们之间的区别是无法通过最精密的实验发现的。惯性质量和引力质量严格成正比(选择适当的系数可以严格相等)。广义相对论把惯性质量和引力质量作为等效原理的内容。惯性质量与惯性力有关,引力质量与引力有关。这样,非惯性系与引力的关系也就建立起来了。那么在引力场中的任何一点都可以引入一个非常小的自由落体参考系。因为惯性质量等于引力质量,所以在这个参考系中既不是惯性也不是引力,狭义相对论的所有理论都可以用。当初始条件相同时,质量相等、电荷不同的粒子在同一电场中的轨道不同,但所有粒子在同一引力场中的轨道都只有一个。等效原理让爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空的外场,而是几何场,是时空本身的一种属性。由于物质的存在,原本平坦的时空变成了弯曲的黎曼时空。广义相对论建立之初,有第四个原理,惯性定律:不受力(重力除外,因为重力不是真力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中,它是沿着测地线运动的。测地线是直线的概括,是两点之间最短(或最长)的直线,是唯一的。例如,球体的测地线是由穿过球体中心和球体的平面切割的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后,可以从场方程推导出这个定律,于是惯性定律就变成了惯性定律。值得一提的是,伽利略曾经认为匀速圆周运动就是惯性运动,匀速直线运动总会闭合成一个圆。这被提出来解释行星运动。自然,他受到了牛顿力学的批评,但相对论使它复活了。行星做的是惯性运动,但不是标准的匀速圆周运动。