愛因斯坦的廣義相對論是什麼?

2020-12-12 悟空科學世界

廣義相對論是現代物理學的主要組成部分。它基於空間的「彎曲」能力來解釋引力,或者更準確地說,它將引力與時空的幾何變化聯繫起來了。1915年,阿爾伯特·愛因斯坦創立了廣義相對論(GRT),即這個「特殊」理論誕生十年之後,應用光速,並假設物理定律在任何給定的參照系中保持不變。但是,乍一看,GRT是不是真的很複雜?

如何理解廣義相對論?

愛因斯坦的廣義相對論可以用幾個字來表達:「時空告訴物質是如何運動的;物質告訴時空是如何彎曲的。」但是,物理學家約翰·惠勒的這一簡短描述隱藏了一個更為複雜、更深刻的真理。除了量子理論,廣義相對論是現代物理學的兩大支柱之一,即:引力理論和關於行星、星系和整個宇宙的理論。它是愛因斯坦狹義相對論的延伸,但在此期間,愛因斯坦整整花了10年的時間。

根據《新科學家》,根據狹義相對論(SRT),運動可以改變空間和時間。愛因斯坦的GRT結合了在三個多世紀以前伽利略所提出的一個原則:下落的物體無論其質量如何都會以相同的速度加速。

繼伽利略之後,艾薩克·牛頓證明了只有在一個奇怪的巧合時才是正確的,即:量化物體對加速度阻力的慣性質量必須始終等於量化物體對重力反應的引力質量。為什麼會出現這種情況,我們沒有明顯的理由,但是,在實驗中這兩個量沒有分開過。

正如愛因斯坦用光速構造了一個特殊的相對論一樣,愛因斯坦也把它定義為一個自然原理:對等原理。有了這個概念以及作為時空交織在一起的新時空概念,你就可以構建出一個畫面,其中重力只是加速度的一種形式。

大質量物體會扭曲周圍的時空,導致物體向其加速。

儘管引力支配著大的宇宙尺度和大物體(例如行星或恆星),但它實際上是已知的四種自然力中最弱的一種,也是唯一一種不能用量子理論來解釋的力。量子理論和廣義相對論在不同尺度上的應用,這使得我們很難理解大爆炸早期究竟發生了什麼,例如,當宇宙非常小時,引力卻是很大。在另一種情況下,當這些力在黑洞的事件視界發生碰撞時,就會出現無法解決的悖論。

到目前為止,儘管弦理論和環形量子引力理論之類的嘗試都失敗了,但一些物理學家希望有一天出現一個「萬物理論」能夠將量子理論和廣義相對論結合起來,同時,愛因斯坦的廣義相對論預言,密度極高的質量團會扭曲時空,以至於連光線都無法逃離時空。現在,我們將這些物體稱為「黑洞」,可以拍攝圍繞這些宇宙怪物的「事件視界」,並且一些人確信每個巨大星系的中心都有一個超大質量黑洞。

愛因斯坦的廣義相對論,其數學方程式一次又一次地被證明,目前它是預測引力相互作用最準確的方法,甚至取代了幾個世紀前由艾薩克·牛頓提出的方法。

但是,廣義相對論最偉大的成功可能發生在2015年,當時科學家發現了引力波,它是由巨大質量物體的運動而引起的時空波動。總而言之,在任何情況下,發展量子物理的廣義相對論「版本」仍然是現代物理學一個不變的目標。

相關焦點

  • 從牛頓到愛因斯坦:廣義相對論的起源
    導語:2015年11月是愛因斯坦提出廣義相對論的百年紀念。本文介紹了廣義相對論的起源,從牛頓物理學與電磁學的矛盾到洛倫茲變換,從只適用於慣性系的狹義相對論到可適用於非慣性系的廣義相對論。
  • 愛因斯坦系列之七:戰爭下的廣義相對論
    在德國科學家充滿「愛國」熱情的歇斯底裡圍剿之下,在人類第一次全球大規模屠殺同類的腥風血雨之中,愛因斯坦在柏林完成了廣義相對論,並於1915年11月4、11、18和25日,分四次在普魯士科學院宣讀結果。因此,按智慧財產權分,廣義相對論確實要算職務發明。德國人宣布愛因斯坦是德國人,從智慧財產權來看,不能說完全沒道理。19
  • 科普:廣義相對論中愛因斯坦場方程的導出
    廣義相對論是愛因斯坦最偉大的成就,當然也是近代大尺度物理學/宇宙學最偉大的成就。而愛因斯坦場方程則是廣義相對論的最凝練的核心數學表達式,愛因斯坦場方程對很對人來說是非常神聖和神秘的。今天,我們準備寫一篇簡單的科普文章介紹一下愛因斯坦場方程是如何推導出來的。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?狹義相對論我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。在愛因斯坦之前,最成功的兩個理論分別是牛頓提出的牛頓力學和麥克斯韋提出麥克斯韋方程。
  • 他用中學物理知識,幫愛因斯坦建立了廣義相對論
    這位作者也不是什麼大學教授,論文看起來也很簡單,用到的數學不超過中學水平。但就是這篇論文,卻讓愛因斯坦找到了其思想鏈條中缺失的關鍵一環,也直接幫助愛因斯坦提出廣義相對論。埃倫費斯特(左一)與愛因斯坦(圖片來源:wikipedia)撰文  張華這篇論文的題目是《剛體的勻速轉動與相對論》。
  • 新理論摒棄了愛因斯坦的廣義相對論
    Larry Silverberg和Jeffrey Eischen的理論甚至可能會取代愛因斯坦的廣義相對論,後者已經被用來解釋物理現象超過一個世紀,最突出的是空間和時間的扭曲。該理論基於這樣一個基本理念,即能量在空間和時間中不斷流動,永無止境,永不交叉。
  • 極簡科普:什麼是狹義相對論和廣義相對論?
    所以,簡單的來說,狹義相對論就是愛因斯坦假設光速在不同的參考系下都一樣,然後把牛頓體系裡除了萬有引力定律的東西重新給推理了一遍。因為光速是不變的,所以在愛因斯坦推導出來的新公式裡,啥都跟速度光速有關係,時間、長度、質量、能量都是,然後就有了上面說的運動的物體時間會變慢,長度會縮短,質量會增加這些狹義相對論的效應。
  • 廣義相對論簡史
    100多年前,愛因斯坦在柏林普魯士科學院發表了四個關於廣義相對論的演講。愛因斯坦致力於發展出一個描述引力的數學方程,他最終的引力方程至今仍然是最有影響力的發現。下等效原理是他最快樂的思想。愛因斯坦和格羅斯曼合作發表了一篇關於引力理論的論文,他們稱該理論為:Entwurf理論。大衛·希爾伯特出席了愛因斯坦在哥廷根的講座,第一次聽到了有關廣義相對論的概念,並開始構建自己的想法。11月4日,愛因斯坦宣布自己和格羅斯曼犯的錯誤已經被解決。他幾乎完成了廣義相對論。
  • 什麼是重力?愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    萬有引力是什麼?每當在萬有引力研究方面有了新的發現,我們都會以一種全新的眼光來看待周圍的世界。圖片:高空跳傘。引力是物理學中我們已知的四個力之一,但是我們對引力的理解在不斷地深化。還有什麼能比引力更令我們熟悉呢?從高處落下一個物體,萬有引力就使它墜向地面。同時我們在課堂上學到引力使月球繞地球運動,也使地球繞太陽運動。
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    在愛因斯坦生前,他就因創造了相對論而家喻戶曉。他所到之處,全世界都颳起了「愛因斯坦旋風」。但是當時的民眾對什麼是相對論並不了解。甚至是一些學術人員也是霧裡看花。有一次,愛因斯坦被邀請到加州大學演講,下面坐了一圈他的粉絲,都是大學生。大學生們就問愛因斯坦,據說相對論非常的晦澀難懂,您能不能簡單地描述一下它到底是什麼意思?
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?很多人都不搞錯了!
    就是因為沒有實驗驗證,直到愛丁頓在1919年觀測到了和廣義相對論相符的日食現象,愛因斯坦和相對論才開始慢慢被大家接受,而愛因斯坦提出狹義相對論的那一年是1905年,足足過去了14年。追光的少年有了上面的背景,愛因斯坦就開始搞事情了。16歲的愛因斯坦就在思考一件事:如果我追著一束光跑,我會看到什麼?如果我的速度達到光速,我會看到什麼?我會看到靜止不動的光子麼?
  • 英媒:科學家為愛因斯坦廣義相對論找到了新證據
    參考消息網7月27日報導 英媒稱,天文學家7月25日說,他們對來自一顆環繞銀河系中心巨大黑洞運行的恆星的光的觀測結果,為愛因斯坦1915年的廣義相對論提供了新證據。據路透社7月25日報導,天文學家研究了一顆名為S0-2的恆星,其質量約為太陽的10倍。
  • 狹義相對論與廣義相對論的區別(下)
    狹義相對論與廣義相對論的區別(下)愛因斯坦的狹義相對論裡就簡單的公式,給定相對性原理和光速不變,
  • 發出「響聲」的黑洞再次證明了愛因斯坦廣義相對論的正確性
    據外媒報導,阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論中的一個理論認為,在兩個黑洞碰撞並合併之後,新創造的黑洞應該像敲鐘時一樣發出「響聲」,在時空中發出引力波漣漪。更重要的是,這些波的俯仰和衰減應該直接告訴我們天體的質量和旋轉。現在,天文學家已經成功地第一次觀察到了這一點,再一次證明了這位傑出科學家的理論。
  • 愛因斯坦廣義相對論出色地通過了有史以來最嚴格的考驗
    年度訂閱用戶可加入科技英語學習社區,每周科技英語直播講堂,詳情查看「閱讀原文」1915 年,愛因斯坦提出了廣義相對論該理論由阿爾伯特·愛因斯坦等人自1907年開始發展,最終在1915年基本完成。在廣義相對論中,引力被描述為時空的一種幾何屬性(曲率),而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    愛因斯坦的相對論是一個著名的物理理論,但人們對此知之甚少。相對論包含兩個不同的元素:廣義相對論和狹義相對論。狹義相對論首先被介紹,後來被認為狹義相對論是更全面的廣義相對論的特例。廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦在1907年至1915年間發展起來的一種引力理論,1915年之後,許多人為驗證廣義相對論做出了貢獻。
  • 通俗解釋一下狹義相對論和廣義相對論
    愛因斯坦想,光這小子好像確實與眾不同,不同參考系下的光速確實都是一樣的,不符合以前的疊加原理,這種事情要怎麼辦呢?為什麼光速會不變呢?想不通,既然想不通,那就乾脆假設光速是不變的,看看能推導出一些啥東西來,而且如果假設光速是不變的,麥克斯韋電磁學和牛頓力學之間的矛盾也好解釋了,也能解釋一些其他的難以理解的現象,這真是一舉多得啊。
  • 通俗的解釋一下狹義相對論和廣義相對論
    愛因斯坦推出來的這一套就是狹義相對論。所以,簡單的來說,狹義相對論就是愛因斯坦假設光速在不同的參考系下都一樣,然後把牛頓體系裡除了萬有引力定律的東西重新給推理了一遍。因為光速是不變的,所以在愛因斯坦推導出來的新公式裡,啥都跟速度光速有關係,時間、長度、質量、能量都是,然後就有了上面說的運動的物體時間會變慢,長度會縮短,質量會增加這些狹義相對論的效應。廣義在哪裡上面說了狹義相對論,那廣義相對論又是啥?狹義廣義,從名字上來看,也應該知道廣義相對論適用的範圍更廣一些。還記得上面在說狹義相對論的時候我說了狹義相對論是基於慣性系的麼?
  • 愛因斯坦廣義相對論首次在大尺度上精確驗證!
    20世紀初,由伽利略和牛頓等人搭建的經典物理學大廈在愛因斯坦狹義相對論的衝擊下,已經開始出現隱隱的裂痕。科學家發現,統治世界300年近乎絕對真理的認知竟然面臨全面崩潰的局面。1915年,就在人們震驚錯愕的心情尚未平復時,愛因斯坦又拋出一個驚人的理論——引力能導致時空彎曲。包括地球在內的引力場都有類似效果,引力越強,時空彎曲越明顯,時間也變得更慢。這就是廣義相對論的「時空彎曲效應」。這個理論對常人來說根本無法理解。時空怎麼可能彎曲?時間也會變慢?簡直是一派胡言!
  • 坐標系困境:廣義相對論險入歧途
    愛因斯坦在1915年底提出了他的廣義相對論。學者在研究他那兩年間的筆記資料時,找到了廣義相對論完整的方程式,最多只缺少一些細節性的東西。匹茲堡大學科學史及愛因斯坦研究專家John Norton說:「這確實應該已經是最終的理論。原來,在廣義相對論提出的最後關頭,愛因斯坦發現了一個嚴重的缺陷,這令他在懷疑與發現的歧途上顛沛流離,幾近讓他抹殺掉自己最大的科學成就。而他當時所做的決定至今依然深刻影響著數學和物理學。