如何自學廣義相對論,這裡有一份秘籍

2020-12-05 萬象經驗

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

著名的物理學家約翰·惠勒是這樣總結廣義相對論的:「物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。」前半句概括了愛因斯坦場方程,而後半句則概括了運動方程。它還有個獨特之處,利用場方程能推導出運動方程,這在其它場都是沒有的。

這句話也是普通大眾對廣義相對論的理解:物質會導致時空彎曲。事實上,我們的學習欲望不止於此,我們還想學會如何進行廣義相對論計算。但是,自學太難了,書本上那些張量的計算足以繞暈我們的腦袋,而且有些步驟還省略了,這讓原本數學基礎差的同學雪上加霜。那麼,該如何入門呢?

在這裡,我推薦北師大趙崢教授的廣義相對論教學視頻。為什麼推薦他的視頻,我覺得有以下幾點。第一,這個課程本來就是廣義相對論入門課程;第二,數學基礎教學非常細心,每一步都有清晰的步驟;第三,相較於國內外其它視頻,非常適合我國學生自學。

他的視頻可以分為8個章節。第一章講的是廣義相對論的物理基礎。首先,他介紹了愛因斯坦在創建狹義相對論過程中最重要的思想突破,介紹光速在相對論中的核心地位,以及狹義相對論所取得的成就和遇到的困難。然後介紹廣義相對的物理基礎:等效原理、馬赫原理和廣義相對性原理,分析了牛頓為論證存在絕對空間而提出的水桶實驗。最後介紹了愛因斯坦對新理論的重要猜測和構想。

第二章介紹了作為廣義相對論數學基礎的黎曼幾何與張量分析。首先複習了狹義相對論中的張量,然後用廣義坐標變換定義仿射空間中的張量,並引入聯絡和度規。引入聯絡後的仿射空間稱為聯絡空間,可以定義曲率和撓率。引入度規後的仿射聯絡空間稱為黎曼空間,可以定義長度。在這章中,他重點討論無撓的黎曼空間,在其中建立其度規與對稱聯絡之間的聯繫,並介紹了曲率張量的一些重要性質。還介紹了直線在彎曲時空中的兩種推廣方式——測地線和短程線,並指出在廣義相對論採用的黎曼空間中,測地線和短程線是一致的。

第三章介紹的就是廣義相對論的核心理論:場方程和運動方程,以及它們之間的關係與牛頓近似。還有時空彎曲對力學定律和電磁學定律的影響。

第四章介紹的就是廣義相對論的實驗驗證。首先他求出場方程的靜態球對稱真空解——史瓦西解,然後給出廣義相對論三大驗證的數學結果。此外,還討論了廣義相對論中的測量與「測量比較」的問題,特別是轉盤上空間幾何非歐與時鐘變慢的問題。

接下去幾章講的就是引力波、黑洞、宇宙學、時空的一些問題,這裡就不一一介紹了,看就完事了。

相關焦點

  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼?
    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。
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
    有些讀者對這個問題感興趣,他們想知道愛因斯坦是怎麼發現相對論的,是用實驗的方法慢慢驗證推理出來的,還是直接用數學方法和物理思想推出來的。愛因斯坦是怎麼想到要去創立相對論的呢,有哪些時代背景和機緣巧合,為什麼同時代那麼多權威的物理學家都沒有辦到,他一個畢業工作沒幾年的小毛頭是怎麼辦到的?
  • 遲到的科普:廣義相對論
    在講相對論的的時候將其分成兩部分:狹義相對論和廣義相對論。很久很久以前講過狹義相對論,廣義相對論卻遲遲沒有講。所今天冷言和大家談談什麼是廣義相對論?其實廣義相對論最主要的有兩點:廣義協變原理和等效原理。
  • 量子力學與廣義相對論以及弦理論
    現代物理學有兩大基石,量子力學與廣義相對論,那麼在這其中,量子力學是用來解釋微觀世界的理論。量子力學的法則支配著微觀世界的原子和基本粒子的行為,想知道電子光子等基本粒子如何運動,以及它們與什麼樣的力發生相互作用的話,就必須要用到量子力學。
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。
  • 什麼是廣義相對論?通俗易懂,了解牛頓到底錯在哪裡了
    100年來,廣義相對論仍然是科學家對引力的最佳理解,也是我們理解宇宙最宏大尺度的關鍵。它用數學精確地解釋了質量和能量的分布是如何扭曲了時空,基本思想是十分簡潔,不需要特別專業的知識就能理解。但是它解釋不了很多問題,比如說兩個天體的高速運動的動力學規律,像是某天體以0.1個光速向另一個天體移動的時候,萬有引力在這裡就會計算失敗。因為我們知道,根據狹義相對論,在高速運動裡,質量會隨速度而增加。再比如說如果天體發生融合,它們相互旋轉、加速,這個體系中的質量會發生變化,從而引起空間的扭曲發生變化,這些都是要用引力波,用廣義相對論時空彎曲的角度才能去解釋,像萬有引力的這種簡單的模型是不可以的。
  • LIGO黑洞引力波的回波暗示廣義相對論崩潰!
    這是對愛因斯坦廣義相對論的一個強有力證實。然而,這一發現也提供了首個引人矚目的證據表明廣義相對論在黑洞的事件視界(即最外層邊界,從這裡開始陷入黑洞的光無法逃逸)失效。自二月份以來,雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)總共已探測到三起引力波事件。而現在,研究人員已經對這些數據進行了研究,並表示他們在引力波中發現了「回波」的證據,這些回波違背了愛因斯坦對黑洞的預測。
  • 愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?
    請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?這些驗證實驗具體如何做的?如果沒有嚴格的實驗論證,愛因斯坦和一個神棍有什麼區別?小愛的狹義相對論以及廣義相對論,那可是經受過無數考驗的存在。狹義相對論的實證——世界的傷痛1905年,物理歷史的第二個奇蹟年。愛因斯坦當年提交了5篇論文,其中三篇都達到諾獎級別。而狹義相對論以及大家耳熟能詳的E=mc2,當然也包括其中。E=mc2用最簡單的話來說,這個等式的意思是:質量和能量是等價的。
  • 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。
  • 相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分?
    說起愛因斯坦,都知道他提出了著名的相對論。但是你可知道,相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分呢?了解「相對論」對於研究現代物理學的人來說,是十分必要的。據說,相對論的創始人阿耳伯特?愛因斯坦從小就思考這樣兩個問題:(1)如果有人跟著光線跑,並努力趕上它,那麼,這個人將看到些什麼現象呢?
  • 同樣是解釋「引力現象」,萬有引力定律和廣義相對論有什麼區別?
    那這個觀念有問題麼?實際上,如果我們生活在地球上,長期處於低速的狀態,這裡的低速指的是遠遠小於光速的速度。那我們感受到的一切就是極為符合牛頓的機械時空觀的。這也是為什麼我們可以統一度量衡,國際上大多數的國家都在用米制等國際單位制的原因。
  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
  • 相對論中:時間在狹義和廣義的概念下有什麼不同?
    狹義相對論兩大原理光速不變原理(實際叫作光速不疊加更好)狹義相對性原理(後來的廣義相對論,直接推廣為相對性原理)狹義相對論神奇就神奇在第一條原理。有了這些變換式,那些像鍾慢尺縮,質量增大,速度疊加 甚至 質能轉換式 也可以推到出來。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    從那個蘋果砸中牛頓的一刻開始,牛頓忽然意識到是重力在導致蘋果下墜,而且不僅是大地,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引,這就是萬有引力。以牛頓的理論作為基礎,經過了上百年的研究和測量,人類最終找到了萬有引力常數G,於是我們擁有了萬有引力公式。
  • 這很物理:時間的形狀、廣義相對論中的時間測量
    廣義相對論同樣如此,只是其中考慮的除了空間的幾何形狀之外,還有時間的幾何形狀。時間有形狀嗎?這個還是真有。我們回憶經典力學中所有時間測量的方法,都可以歸結為對某種等周期性運動物體的軌跡測量,時間對應的是周期性運動物體在空間中的幾何位置,這就是牛頓力學中時間的幾何形狀。
  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    來源:環球科學1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論。作為20世紀最偉大的科學理論之一,廣義相對論經過時間的檢驗,已經成為現代物理學的重要基石。但鮮為人知的是,即使到了20世紀50年代,由於缺乏實驗證據,對廣義相對論感興趣的人也並不多。因此,愛因斯坦試圖將廣義相對論推廣為新的理論。
  • 量子力學和廣義相對論相互矛盾,它們能調和統一嗎?
    例如,粒子可以是波,量子力學的不確定性原理告訴我們,我們無法真正判斷粒子在哪裡,或者它移動的速度有多快。這讓我們深感不安,因為我們無法真正判斷粒子在哪裡或正在做什麼。但愛因斯坦沒有,對於一位致力於定義宇宙工作方式的物理學家,他用廣義相對論做到了這一點。現在不必深感不安。
  • 廣義相對論在銀河系中心通過驗證 尚未發現第五種力
    廣義相對論在銀河系中心通過驗證  尚未發現能證明相對論漏洞的第五種力  科技日報北京6月7日電 (記者聶翠蓉)愛因斯坦的廣義相對論再次經受住了考驗。但許多觀測跡象對廣義相對論提出挑戰,一些科學家假設存在第五種基本力,並希望通過發現這種力的存在,來證明相對論存在漏洞和偏差。  加州大學洛杉磯分校的奧萊裡昂·希斯認為,銀河系最中心的超大質量黑洞「人馬座A*」(Sagittarius A*)周圍,最有可能發現第五種力。
  • 廣義相對論的證據
    27年前,法國科學家通過歐洲南方天文臺(ESO)的超大望遠鏡(VLT),發現有一顆恆星 S2 正圍繞一個巨大質量的黑洞運行,最近時相距200億公裡(太陽與地球之距離的120倍)。S2 的運行速度為光速的3%,每16年運行一圈。
  • 廣義相對論又被證實!恆星的運行與愛因斯坦的預測不謀而合
    舉個例子吧,三十年前,天文學家們曾經觀測過人馬座a星附近的一個星體的運行方式,研究其是否符合愛因斯坦的廣義相對論。歐洲南方天文臺用巨型天文望遠鏡在近期的觀測裡證實,這顆星體的運行軌跡是蓮座形狀的,而這再一次驗證了愛因斯坦的理論是對的。