廣義相對論

1樓：匿名使用者

廣義相對論是愛因斯坦繼狹義相對論之後，深入研究引力理論，於2023年提出的引力場的相對論理論。這一理論完全不同於牛頓的引力論，它把引力場歸結為物體周圍的時空彎曲，把物體受引力作用而運動，歸結為物體在彎曲時空中沿短程線的自由運動。因此，廣義相對論亦稱時空幾何動力學，即把引力歸結為時空的幾何特性。

如何理解廣義相對論的時空彎曲呢？這裡我們借用一個模型式的比擬來加以說明。假如有兩個質量很大的鋼球，按牛頓的看法，它們因萬有引力相互吸引，將彼此接近。

而愛因斯坦的廣義相對論則並不認為這兩個鋼球間存在吸引力。它們之所以相互靠近，是由於沒有鋼球出現時，周圍的時空猶如一張拉平的網，現在兩個鋼球把這張時空網壓彎了，於是兩個鋼球就沿著彎曲的網滾到一起來了。這就相當於因時空彎曲物體沿短程線的運動。

所以，愛因斯坦的廣義相對論是不存在“引力”的引力理論。

進一步說，這個理論是建立在等效原理及廣義協變原理這兩個基本假設之上的。等效原理是從物體的慣性質量與引力質量相等這個基本事實出發，認為引力與加速系中的慣性力等效，兩者原則上是無法區分的；廣義協變原理，可以認為是等效原理的一種數學表示，即認為反映物理規律的一切微分方程應當在所有參考系中保持形式不變，也可以說認為一切參考系是平等的，從而打破了狹義相對論中慣性系的特殊地位，由於參考系選擇的任意性而得名為廣義相對論。

我們知道，牛頓的萬有引力定律認為，一切有質量的物體均相互吸引，這是一種靜態的超距作用。

在廣義相對論中物質產生引力場的規律由愛因斯坦場方程表示，它所反映的引力作用是動態的，以光速來傳遞的。

廣義相對論是比牛頓引力論更一般的理論，牛頓引力論只是廣義相對論的弱場近似。所謂弱場是指物體在引力場中的引力能遠小於固有能，力場中，才顯示出兩者的差別，這時必須應用廣義相對論才能正確處理引力問題。

廣義相對論在2023年建立後，愛因斯坦就提出了可以從三個方面來檢驗其正確性，即所謂三大實驗驗證。這就是光線在太陽附近的偏折，水星近日點的進動以及光譜線在引力場中的頻移，這些不久即為當時的實驗觀測所證實。以後又有人設計了雷達回波時間延遲實驗，很快在更高精度上證實了廣義相對論。

60年代天文學上的一系列新發現：3k微波背景輻射、脈衝星、類星體、x射電源等新的天體物理觀測都有力地支援了廣義相對論，從而使人們對廣義相對論的興趣由冷轉熱。特別是應用廣義相對論來研究天體物理和宇宙學，已成為物理學中的一個熱門前沿。

愛因斯坦一直把廣義相對論看作是自己一生中最重要的科學成果，他說過，“要是我沒有發現狹義相對論，也會有別人發現的，問題已經成熟。但是我認為，廣義相對論不一樣。”確實，廣義相對論比狹義相對論包含了更加深刻的思想，這一全新的引力理論至今仍是一個最美好的引力理論。

沒有大膽的革新精神和不屈不撓的毅力，沒有敏銳的理論直覺能力和堅實的數學基礎，是不可能建立起廣義相對論的。偉大的科學家湯姆遜曾經把廣義相對論稱作為人類歷史上最偉大的成就之一。

2樓：

愛因斯坦因他的光子理論而獲得諾貝爾物理學獎。其實愛因斯坦對相對論的貢獻遠為重要，但是諾貝爾評獎委員會對激進的相對論持謹慎的態度。事實上迄今諾貝爾獎從未為理論相對論家頒發過。

引導愛因斯坦以及後代科學家生涯的最大動機，不是財富，不是名聲，也不是別的更高尚的目標。他們的主要動機是科學的好奇心和科學的美學。

愛因斯坦是歷史上繼牛頓之後最偉大的科學家。他是狹義相對論的重要發現者，他對量子理論的創立具有重大的貢獻，而廣義相對論，亦即現代引力論的建立，則應全部歸功於他。

十九世紀末期，麥克斯韋成功地把電學和磁學統一在他的電磁理論中，從他的方程推匯出，電磁波在真空中傳播的速度剛好是光速，於是他斷定光波應是電磁波的一種。麥克斯韋因為家族遺傳的疾病，只活了四十八歲，因此沒有看到電磁波實驗的成功。在牛頓的絕對空間、絕對時間以及伽利略的舊的相對性原理框架中，只有以無限速度運動的物體，在相對勻速運動的座標系中才具有相同的速度，即無限速度。

而牛頓的萬有引力認為是以無限速度傳遞的，所以在麥克斯韋之前，牛頓物理學被認為是自洽的，而電磁波是以有限速度傳播的，在舊的相對論框架中，它的速度會因座標系的選取而改變，這樣他的方程只能在一個特定的座標系中成立，這個座標系被認為是相對於一種稱為以太的媒介靜止。於是尋求以太的存在便成為科學的主題。邁克爾遜 —— 莫雷實驗的結果否認了以太的存在。

愛因斯坦在 1905 年發表了一篇題為 “ 運動物體的電動力學 ” 的**，指出如果將時間和空間組成四維的時空，而在參考系進行相對勻速運動時，時空座標遵照所謂的洛倫茲線性變換，則一切物理定律包括麥克斯韋方程都應採取相同的形式。這樣一來，以太的存在便完全是多餘的。愛因斯坦在發

表狹義相對論之前是否知悉邁克爾 —— 莫雷的實驗仍是科學史上的一個懸案。

這篇**拋棄了牛頓的絕對時空觀，導致物理學上的一場革命。由洛倫茲變換匯出的尺縮、鐘慢以及雙生子佯謬都和人們的直覺相牴觸。而著名的質能等效公式則是核能乃至核**的理論根據。

1900 年普朗克為了解決黑體輻射的紫外災難問題，提出了輻射的量子理論，即是光輻射必須採取一種稱作量子的波包形式。但是只有在愛因斯坦提出光子理論之後，人們才真正接受光可以粒子即光子的形式存在。普朗克曾經是愛因斯坦關於狹義相對論第一篇**的審稿人。

既然光波可以作為粒子而存在，那麼電子等物質粒子能否以波動而存在呢？這是法國的一名研究生德 · 布羅依的設想，愛因斯坦得知後立即支援這一激進的假說。這些都是量子理論發現的前奏。

終其一生，愛因斯坦從未接受量子理論為終極理論，他認為量子力學只是一種唯象理論，而終極理論必須是決定性的。我們知道，就現狀而言，量子力學並不自洽。它仍然在忍受著愛因斯坦 —— 羅遜 —— 帕多爾斯基佯謬的折磨。

近年的一些研究似乎在一定程度上解脫了薛定諤貓佯謬對它的折磨。

狄拉克把狹義相對論和量子力學相結合，得到了極富成果的量子場論。量子場論是描述一切微觀粒子的理論框架。從狄拉克方程可以場論。

量子場論是描述一切微觀粒子的理論框架。從狄拉克方程可以推匯出反粒子的概念。量子電動力學可能描述電子、光子、正電子的

湮滅、創生和相互轉變。人們由此進而發展出當代粒子物理學。

愛因斯坦說過，如果他不發表狹義相對論，則在五年之內必有他人發表。其實當時洛倫茲和彭加萊已經非常接近這個結果了。可惜洛倫茲無法掙脫舊的時空觀，而彭加萊又主要是一位傑出的數學家，因此只有眼光敏銳、思維深邃的愛因斯坦擔任這項歷史任務。

值得提到

的是，當時洛倫茲已是世界聞名的物理學家，彭加萊是法國首位數學家，而愛因斯坦大學畢業後，連中學教員的職務都找不到，藉助朋友介紹才在伯爾尼專利局任一名職員。

他接著說，如果他不在 1915 年發表廣義相對論，則人們至少得等待五十年。這個估計是非常合情理的。廣義相對論是狹義相對論和引力論相結合的成果。

它的一個實驗基礎是伽利略在比薩斜塔進行的自由落體實驗，即引力質量和慣性質量的等效性。但是為了充分闡釋其物理含義，人們等待了三百年之久，也就是等待到廣義相對論的發現。所以若不是愛因斯坦，再等待五十年是很有可能的。

我們在瀏覽愛因斯坦文集第六卷時，就可以看到他所進行的多次不成功嘗試，這是人類理智的蹣跚學步。他認為引力場和其他物質場不同，它是以時空的曲率來體現的，物質使時空彎曲，而時空又是物質的載體，脫離物質的時空曲率即是引力波。所謂廣義相對論原理即是，物理定律對任何座標變換都採用相同的形式，而狹義相對論原理是，物理定律只對任座標變換都採用相同的形式，而狹義相對論原理是，物理定律只對任何洛倫茲線性變換都採取相同的形式。

引力場由所謂的愛因斯坦方程所制約。它是非線性的，有別於以往所有的場方程。所以物質的運動方程被愛因斯坦方程所隱含。

引力場方程是二階的，以時空為自變數，以度規為因變數的帶有橢圓型約束的雙曲型偏微分方程。其複雜而美妙對任何曾與之打交道的人都留下深刻的印象。

在廣義相對論的框架內，愛因斯坦進行了引力紅移、水星近日點進動以及光線受引力場折射等計算。而他關於光線在太陽引力場附近受到折射的預言在 1919 年西非日食的觀測中得到證實。他的方程如此難解，以至於他在這些計算中，使用的只是一個近似解，所依賴的主要是他的無比的物理洞察力。

而球面對稱的準確解 —— 史瓦茲解是在此之後才找到的。

他首次用引力場方程來研究宇宙的整體，開創了理論宇宙學的新學科。可惜由於穩態宇宙的觀念是如此根深蒂固，使他拒絕了演化宇宙的解，他還為此在場方程中引進一項宇宙常數，從而人類失去了一項重大的科學預言機遇！ 1929 年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關係，即所謂哈勃定律。

人們把紅移歸結於宇宙的膨脹，並斷言宇宙是由於一百多億年前的一次大**產生的，這就是所謂的標準的大**宇宙學。

他的場方程還得出緊緻物體的引力坍縮的解，即史瓦茲解及其推廣，這就是描述黑洞的解。但是愛因斯坦認為物質不可能如此緊緻，並著文認為這是荒謬的。但是歷史證明，黑洞是天體物理中最重要的物體，近年天文觀測，使人們普遍認為在星系中心存在巨大質量的黑洞。

事實上，宇宙本身和黑洞正是理論物理學最美妙的研究物件。如果撇開宇宙和黑洞，則物理學的光彩將會大為遜色！

愛因斯坦在布朗運動、作為鐳射機制的基礎的輻射理論、玻色 —— 愛因斯坦統計及其凝聚現象都有關鍵性貢獻。他和玻爾有關量子力學的論爭是科學史上曠日持久的影響深遠的事件。他堅信自然界中的一切相互作用都可統一成一種作用。

統一場論是科學皇冠上的鑽石！當代的超對稱、超引力、超弦理論都是統一場論路途上的種種嘗試。

相對論在近四十年來有了長足的進展，尤其經典相對論已成為成熟的學科。相對論在近世的進步，主要歸功於彭羅斯和霍金。彭羅斯利用全域性分析以及拓撲工具，賦予高深的相對論計算以鮮明的物理意義，以他命名的彭羅斯圖對於時空猶如費因曼圖對於粒子物理那樣重要。

霍金和彭羅斯一道證明了奇勝定理。他單獨證明了黑洞面積定理以及黑洞視介面積代表黑洞的熵。他的黑洞蒸發理論把量子場論、廣義相對論以及統計物理統一起來，其理論的瑰麗，猶如一道佛光，令人目眩神搖。

而他的量子宇宙學的無邊界假說，是研究宇宙創生的科學理論。

利用全域性分析以及拓撲工具，賦予高深的相對論計算以鮮明的物理意。

筆者認為，引導愛因斯坦以及後代科學家生涯的最大動機，不是財富，不是名聲，也不是別的更高尚的目標（尤其是財富和名聲可以憑藉其他更快捷的手段獲取）。他們的主要動機是科學的好奇心和科學的美學。我們可以在歷史中找到許多例子，有多少人恰恰是為了科學犧牲世俗中的健康、財富和名聲。

但是普天之下人們所擁有的一切除了科學發現和藝術創造的喜悅之外都是可能被剝奪的。人類對好奇和美的不懈追求將把人類帶向更美妙的未來！

寫於愛因斯坦一百二十週年生日前夕

-- 這一次我執著面對任性地沉醉我並不在乎這是錯還是對

就算是深陷我不顧一切就算是執迷我也執迷不悔

廣義相對論

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