愛因斯坦廣義相對(duì)論

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1、愛因斯坦廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論是愛因斯坦繼狹義相對(duì)論之后，深入研究引力理論，于1913年提出的引力場(chǎng)的相對(duì)論理論。這一理論完全不同于牛頓的引力論，它把引力場(chǎng)歸結(jié)為物體周圍的時(shí)空彎曲，把物體受引力作用而運(yùn)動(dòng)，歸結(jié)為物體在彎曲時(shí)空中沿短程線的自由運(yùn)動(dòng)。因此，廣義相對(duì)論亦稱時(shí)空幾何動(dòng)力學(xué)，即把引力歸結(jié)為時(shí)空的幾何特性。如何理解廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲呢？這里我們借用一個(gè)模型式的比擬來加以說明。假如有兩個(gè)質(zhì)量很大的鋼球，按牛頓的看法，它們因萬(wàn)有引力相互吸引，將彼此接近。而愛因斯坦的廣義相對(duì)論則并不認(rèn)為這兩個(gè)鋼球間存在吸引力。它們之所以相互靠近，是由于沒有鋼球出現(xiàn)時(shí)，周圍的時(shí)空猶如一張拉平的網(wǎng)

2、，現(xiàn)在兩個(gè)鋼球把這張時(shí)空網(wǎng)壓彎了，于是兩個(gè)鋼球就沿著彎曲的網(wǎng)滾到一起來了。這就相當(dāng)于因時(shí)空彎曲物體沿短程線的運(yùn)動(dòng)。所以，愛因斯坦的廣義相對(duì)論是不存在“引力”的引力理論。進(jìn)一步說，這個(gè)理論是建立在等效原理及廣義協(xié)變?cè)磉@兩個(gè)基本假設(shè)之上的。等效原理是從物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等這個(gè)基本事實(shí)出發(fā)，認(rèn)為引力與加速系中的慣性力等效，兩者原則上是無法區(qū)分的；廣義協(xié)變?cè)恚梢哉J(rèn)為是等效原理的一種數(shù)學(xué)表示，即認(rèn)為反映物理規(guī)律的一切微分方程應(yīng)當(dāng)在所有參考系中保持形式不變，也可以說認(rèn)為一切參考系是平等的，從而打破了狹義相對(duì)論中慣性系的特殊地位，由于參考系選擇的任意性而得名為廣義相對(duì)論。我們知

3、道，牛頓的萬(wàn)有引力定律認(rèn)為，一切有質(zhì)量的物體均相互吸引，這是一種靜態(tài)的超距作用。在廣義相對(duì)論中物質(zhì)產(chǎn)生引力場(chǎng)的規(guī)律由愛因斯坦場(chǎng)方程表示，它所反映的引力作用是動(dòng)態(tài)的，以光速來傳遞的。廣義相對(duì)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(duì)論的弱場(chǎng)近似。所謂弱場(chǎng)是指物體在引力場(chǎng)中的引力能遠(yuǎn)小于固有能，力場(chǎng)中，才顯示出兩者的差別，這時(shí)必須應(yīng)用廣義相對(duì)論才能正確處理引力問題。廣義相對(duì)論在1915年建立后，愛因斯坦就提出了可以從三個(gè)方面來檢驗(yàn)其正確性，即所謂三大實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這就是光線在太陽(yáng)附近的偏折，水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)以及光譜線在引力場(chǎng)中的頻移，這些不久即為當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)。以后又有

4、人設(shè)計(jì)了雷達(dá)回波時(shí)間延遲實(shí)驗(yàn)，很快在更高精度上證實(shí)了廣義相對(duì)論。60年代天文學(xué)上的一系列新發(fā)現(xiàn)：3K微波背景輻射、脈沖星、類星體、X射電源等新的天體物理觀測(cè)都有力地支持了廣義相對(duì)論，從而使人們對(duì)廣義相對(duì)論的興趣由冷轉(zhuǎn)熱。特別是應(yīng)用廣義相對(duì)論來研究天體物理和宇宙學(xué)，已成為物理學(xué)中的一個(gè)熱門前沿。愛因斯坦一直把廣義相對(duì)論看作是自己一生中最重要的科學(xué)成果，他說過，“要是我沒有發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論，也會(huì)有別人發(fā)現(xiàn)的，問題已經(jīng)成熟。但是我認(rèn)為，廣義相對(duì)論不一樣?！贝_實(shí)，廣義相對(duì)論比狹義相對(duì)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(gè)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

5、，沒有敏銳的理論直覺能力和堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是不可能建立起廣義相對(duì)論的。偉大的科學(xué)家湯姆遜曾經(jīng)把廣義相對(duì)論稱作為人類歷史上最偉大的成就之一。狹義相對(duì)論就是狹義相對(duì)論是建立在四維時(shí)空觀上的一個(gè)理論，因此要弄清相對(duì)論的內(nèi)容，要先對(duì)相對(duì)論的時(shí)空觀有個(gè)大體了解。在數(shù)學(xué)上有各種多維空間，但目前為止，我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維，即三維空間加一維時(shí)間?，F(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思，只有數(shù)學(xué)意義，在此不做討論。四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實(shí)空間，至少現(xiàn)在我們還無法感知。一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)

6、生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種”此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢。另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場(chǎng)方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場(chǎng)方程組的四維形式更

7、加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場(chǎng)和磁場(chǎng)用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)張量來描述。四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的?？梢哉f至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對(duì)它妄加懷疑。相對(duì)論中，時(shí)間與空間構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維時(shí)空，能量與動(dòng)量也構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維動(dòng)量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在今后論及廣義相對(duì)論時(shí)我們還會(huì)看到，時(shí)空與能量動(dòng)量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系。物質(zhì)在相互作用中作永恒的運(yùn)動(dòng)，沒有不運(yùn)動(dòng)的物