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。