广义相对论

贡献者:霖界点 类别:简体中文 时间:2022-01-02 07:41:21 收藏数:7 评分:0
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黑洞
广义相对论在天体物理学中有着非常重要的应用:它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某
些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出;能够形成黑洞的恒星最小质量称为昌德拉塞卡极限。
引力透像
有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体(例如活动星系核和微类星体)发射高强度辐射的直接成因
。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象,这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。
引力波
广义相对论还预言了引力波的存在(爱因斯坦于1918年写的论文《论引力波》),现已被直接观测所证实。此
外,广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。 [2]
时空关系
19世纪末由于牛顿力学和(苏格兰数学家)麦克斯韦(1831~1879年)电磁理论趋于完善,一些物理学
家认为“物理学的发展实际上已经结束”,但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时,发现一系列尖锐矛盾
,对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题,提出物理学中新的时空观,建立了可与光速相比拟的高速运动物
体的规律,创立相对论。 狭义相对论是以两条基本假设为前提推导出来的:(1)光速不变原理:即在任何惯性
系中,真空中光速c都相同,为299,792,458m/s,与光源及观察者的运动状况无关。(2)狭义相
对性原理:是指物理学的基本定律乃至自然规律,对所有惯性参考系来说都相同。
爱因斯坦的第二种相对性理论(1916年)。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应(也就是,不仅
考虑空间中的点之间,而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何)的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离
的测量。 [3]
万有引力
广义相对论:是一种关于万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架,几经失
败后,他终于认识到,狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是,他将狭义相对性原理推广到广义相对性,又利用
在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理,建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。
狭义相对论
狭义相对论与广义相对论:狭义相对论的时空背景是平直的四维时空,而广义相对论则适用于任意伪黎曼空间,它
的时空背景是弯曲的黎曼时空。
诞生背景编辑 播报
发展过程
爱因斯坦在1905年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中,重力和加速度对其影响的论文,广义相对论的雏型就
此开始形成。1912年,爱因斯坦发表了另外一篇论文,探讨如何将引力场用几何的语言来描述。至此,广义相
对论的运动学出现了。到了1915年, 爱因斯坦场方程发表了出来,整个广义相对论的动力学才终于完成。
求解场方程
1915年后,广义相对论的发展多集中在求解场方程上,解的物理解释以及寻求可能的实验与观测也占了很大的
一部份。但场方程是非线性偏微分方程,很难得出解来,所以在电脑应用于科学上之前,只得到了少数的精确解。
其中最著名的有三个解:史瓦西解、 雷斯勒——诺斯特朗姆解、克尔解。 [4]
三大验证
在广义相对论的实验验证上,有著名的三大验证。在水星近日点的进动中,每百年43秒的剩余进动长期无法得到
解释,被广义相对论完满地解释清楚了。光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍
,爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果,证实了广义相对论是正确的。再就
是引力红移,按照广义相对论,在引力场中的时钟要变慢,因此从恒星表面射到地球上来的光线,其光谱线会发生
红移,这也在很高精度上得到了证实。从此,广义相对论理论的正确性得到了广泛地承认。 [5]
另外,宇宙的膨胀也创造出了广义相对论的另一场高潮。从1922年开始,研究者们就发现场方程所得出的解答
会是一个膨胀中的宇宙,而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙不是静止的,所以他在场方程中加入了一个宇宙常数
来使场方程可以解出一个稳定宇宙的解。但是这个解有两个问题:在理论上,这个解不稳定,一经微扰便会膨胀或
收缩;另外在观测上,1929年,哈勃发现了宇宙其实是在膨胀的,这个实验结果使得爱因斯坦放弃了宇宙常数
,并宣称这是我一生最大的错误(the biggest blunder in my career)。
但根据最近的I型超新星的观察,宇宙膨胀正在加速。所以宇宙常数有再度复活的可能性,宇宙中存在的暗能量可
能要用宇宙常数来解释. [6]
基本假设编辑 播报
简单地说,广义相对论的两个基本原理是:一,等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的 [
7] ;二,广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。
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