愛因斯坦的廣義相對論是什麼?

2021-01-09 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

  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼理論?
    簡單來說,愛因斯坦在一百多年前創立的廣義相對論是一種引力理論,描述宇宙中天體的引力作用。關於引力理論,我們最早接觸到的是牛頓在17世紀提出的萬有引力定律。那麼,愛因斯坦的引力理論與牛頓的有什麼區別呢?直到20世紀初,愛因斯坦提出了廣義相對論,水星近日點進動問題才得到完美的解釋。根據廣義相對論,空間不像牛頓所描述的那樣是絕對平直的,而是會在質量和能量的作用下發生彎曲。在彎曲的空間中,天體與光都會沿著測地線運動,由此表現出引力效應。
  • 愛因斯坦的廣義相對論講的是什麼?
    廣義相對論描述的是物質與空間、運動與時空之間的精妙聯繫,揭示了萬有引力的本質。1905年,愛因斯坦提出狹義相對論,狹義相對論的時空觀已經顛覆了經典時空觀,但是狹義相對論有一個非常大的缺陷,就是只能描述慣性系,無法描述非慣性系。狹義相對論的主要工作完成後,愛因斯坦著手把相對論推廣到非慣性系,在愛因斯坦苦思之時,腦海裡閃過一個想法——電梯思想實驗。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    我們將在本文中介紹愛因斯坦如何通過物理思想的多次突破,創建起相對論特別是廣義相對論的大廈,並指出愛因斯坦是相對論的唯一創建者。1.1 狹義相對論的創建我們首先來回顧一下狹義相對論的創建。1905 年,年僅27 歲的愛因斯坦發表了《論運動物體的電動力學》一文,構建起狹義相對論的大廈。
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
    相對論創立初期整個理論體系就非常完善了,但是壓根沒人相信他,為什麼?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。
  • 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。
  • 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。只不過,這兩個理論有個矛盾,那就是:光速。具體來說,牛頓的理論認為,速度可以不斷地進行疊加,沒有上限,只要你加得上去就行。可是,麥克斯韋方程得出的光速是一個固定值,似乎暗示著光速無論在什麼慣性坐標系下都是一樣的。
  • 愛因斯坦的廣義相對論到底講的什麼?如何通俗地理解?
    說白了,廣義相對論就是把引力解釋為時空彎曲的理論。牛頓的經典力學提出了萬有引力,但沒有指出萬有引力產生的原因,即為什麼會產生萬有引力!   而廣義相對論給出了答案,認為引力是有時空彎曲引起的,引力只是時空彎曲的一個表象,任何具有質量的物體都會對周圍時空產生影響
  • 事實證明:愛因斯坦又對了!致敬偉大的廣義相對論!
    最新研究再次證明愛因斯坦是對的!搖擺的脈衝星證實了廣義相對論!最新觀測顯示,在距離我們25000光年外的脈衝星正在以一種奇怪的方式搖擺,這種現象立刻在科學界引起了大量關注並為之震撼。因為在一個多世紀前,愛因斯坦的廣義相對論就已經預言了這一現象。
  • 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。
  • 愛因斯坦廣義相對論預言成真,原因是在這裡
    結合美國宇航局哈勃太空望遠鏡和歐洲南方天文臺甚大望遠鏡的數據,研究人員發現,此星系中引力的行為與阿爾伯特﹒愛因斯坦廣義相對論的預言相符,在星系的尺度上證實了這一理論的正確性。1915年,阿爾伯特﹒愛因斯坦提出廣義相對論,對引力如何起作用進行了解釋。自那以來,廣義相對論通過了一系列在太陽系內的高精度檢驗,但還從沒有在巨大的天文學尺度上對其進行過精確地檢驗。
  • 提出廣義相對論以後,愛因斯坦對理論物理還做出過什麼貢獻?
    愛因斯坦是人類歷史上能夠和牛頓並列的最頂級科學家,他的最偉大成就就是狹義相對論和廣義相對論。愛因斯坦給出狹義相對論時26歲,給出廣義相對論時36歲。1919年,愛丁頓的實驗證實了廣義相對論,愛因斯坦從此坐穩了科學領袖和科學明星。
  • 愛因斯坦最偉大的勝利:一個廣義相對論的世紀!
    愛因斯坦最偉大的勝利:一個廣義相對論的世紀!斯隆數字巡天中星系分布的部分地圖,距離70億光年。我們今天觀察到的星系聚類量是重力作用於宇宙時間的標誌,並允許測試廣義相對論是否適用於這些尺度。1915年11月,阿爾伯特愛因斯坦發表了四篇論文- 每篇論文相隔一周,然後是1916年3月的一份總結論文 - 他在論文中提出了他的廣義相對論,並吹響了人類的集體思想。愛因斯坦早期的狹義相對論(1905年)已經足夠令人困惑,因為它與空間和時間有著千絲萬縷的聯繫。
  • 廣義相對論的故事,愛因斯坦是怎麼想到的,竟出自於對帽子的觀察
    ,也成為廣義相對論的基本原理之一。像狹義相對論一樣,廣義相對論的另一個基礎也是&34;,它的含義是:&34;廣義等效原理與光速不變原理,成為愛因斯坦廣義相對論理論大廈的兩塊基石。有了這兩塊基石,又該如何構建出包括加速或引力的廣義相對論大廈呢?
  • 愛因斯坦的廣義相對論在地球表面上再次被證明是正確的
    廣義相對論是現代物理中基於相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由愛因斯坦自1907年開始發展,最終在1915年基本完成。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中,引力被描述為時空的一種幾何曲率屬性,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。
  • 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。
  • 愛因斯坦廣義相對論,為什麼能夠把「引力」幾何化?
    前面幾篇文章中,我們都是圍繞「引力」來談廣義相對論的,大家可能會覺得好奇,為啥廣義相對論非要重點去討論引力,引力有啥玄妙值得我寫好幾篇文章來講。哈哈,其實引力對廣義相對論的作用,可遠遠不止這些,理解「引力變得不是力」,這是你從狹義相對論走向廣義相對論的必經橋梁,這也是一種全新的解決運動力學的思路和方法。
  • 黑洞源於廣義相對論,但愛因斯坦曾經卻否認黑洞的存在,為什麼?
    但在人類真正觀測並取得黑洞照片之前,黑洞便已經從理論中誕生,而孕育黑洞的理論就是愛因斯坦所提出的廣義相對論。廣義相對論的提出帶領人類從牛頓的時代跨入了愛因斯坦的世界,人類對於宇宙規律有了新的認識,人類首次認識到了更為接近真理的理論,知道了引力的本質是一種幾何效應,是時空的彎曲。人們都知道黑洞源於愛因斯坦的廣義相對論,卻很少有人知道黑洞並不是愛因斯坦推導出來的。
  • 100年前的一次日全食證實愛因斯坦的廣義相對論
    該實驗在100年前證實了愛因斯坦的廣義相對論,並使愛因斯坦名揚天下。根據牛頓的物理概念,光沒有質量,因此不會受到重力的影響,所以它應該總是保持直線運動。雖然愛因斯坦1915年的廣義相對論理論並沒有直接與牛頓相悖,但愛因斯坦將引力視為時空扭曲。他假設太陽的重力會使光線彎曲,太陽附近的星星視位置會變化。愛丁頓開始通過在日食期間觀測恆星來驗證愛因斯坦的理論。
  • 恆星運動軌跡證實愛因斯坦廣義相對論的預言
    愛因斯坦在科學上的成就在百年來可以說無人可及。但是,因為超前的理論,其相對論自誕生以來一直被質疑。然而,隨著科學技術的發展,我們觀測宇宙的技術越來越先進,不管是尺度還是精度都日漸提高,相對論裡的理論也隨之一點點被所觀測現象證實。
  • 歐洲金屬球衛星將檢驗愛因斯坦廣義相對論
    其上面搭載了一顆旨在驗證愛因斯坦廣義相對論的低成本探測衛星,儘管其耗資很少,但據稱其探測精度將比此前美國宇航局進行的該項研究高出幾乎100倍。在2000年年中,在經過超過40年的艱苦研發之後,由美國史丹福大學領銜研製的耗資8億美元的「引力探測器B」衛星探測到了「慣性系拖曳效應」(Frame dragging)。