愛因斯坦的廣義相對論到底是什麼?

木幽書


答: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,就是隻能描述慣性系,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。


電梯思想實驗:試想一座摩天大樓,一架電梯正在從頂層下降,突然電梯的纜繩斷了,電梯開始做自由落體運動;此時對於電梯裡面的人,就好像不受任何力一樣,而電梯參考系正是非慣性系。

這一想法在愛因斯坦大腦中閃過,但是愛因斯坦敏銳的洞察力從中看到廣義相對論,後來愛因斯坦把這個想法閃過時的愉快,稱作他一生中最快樂的時光。

愛因斯坦從電梯思想實驗中,悟出了廣義相對論的重要原理——等效原理,指重力場和適當的加速度場是等價的,也可以說“慣性質量等於引力質量”。


等效原理是廣義相對論的兩大基本原理之一,另外一個是廣義相對性原理;在1915年,愛因斯坦得到了廣義相對論場方程,這也是廣義相對論的核心方程:

該方程是物質對時空作用的數學描述,方程左邊是物質的分佈情況,方程右邊是時空的彎曲情況,也就說物質告訴時空如何彎曲,而彎曲的時空告訴物質如何運動,於是萬有引力在相對論中被幾何化,引力的本質就是時空彎曲。

其實愛因斯坦最初的引力場方程,還有一個宇宙學常數項,因為去掉宇宙學常數項的方程,描述的宇宙是不穩定的,愛因斯坦為了消除這種不穩定加入了宇宙學常數項。

但後來天文學家發現宇宙處於膨脹過程中,宇宙本身不是靜態的,所以愛因斯坦又把宇宙學常數項去掉了,並稱引入宇宙學常數項是他一生中犯下最大的錯誤。


如果愛因斯坦從一開始就不加入宇宙學常數項,或許他還能預言出宇宙處於膨脹當中,這絕對是一項偉大的理論預言,可惜愛因斯坦在這失誤了。

事情的發展總是出人意料,當代天文學為了解釋宇宙膨脹的原因,引入“暗能量”的概念,有科學家指出,暗能量或許就是愛因斯坦當初提出的宇宙學常數項導致,所以宇宙學常數項貌似有復活的跡象。


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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?

在牛頓看來,宇宙中任何有質量的物體之間都會存在引力作用。大到天體,小到細菌,引力作用始終存在。無論距離多遠,都會存在引力,並且這種作用是瞬間產生的超距作用。根據萬有引力定律,物體之間的引力正比於物體質量之積,反比於物體之間的距離。牛頓的萬有引力定律非常成功,它解釋了為什麼蘋果會落地,為什麼地球會繞著太陽旋轉,甚至還能預言此前尚未發現的海王星的存在。

但到了19世紀,天文學家發現萬有引力定律存在缺陷。行星在繞著太陽運動過程中,每一圈的近日點其實都是不一樣的,這種現象被稱為近日點進動。越靠近太陽的行星,近日點進動值越大,水星近日點具有最大的進動值。

天文學家通過觀測發現,水星近日點進動的觀測值與通過萬有引力定律計算出來的結果存在一些差異,觀測值與理論值每個世紀相差43秒,這遠大於觀測誤差,所以必然是理論出了問題。

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。

根據廣義相對論,太陽彎曲了周圍空間,如果有光從太陽表面上方穿過,其偏轉角度約為1.75角秒,這是通過牛頓引力理論計算出結果的兩倍。不久後,愛丁頓藉助日全食的時機,測量了背景恆星發出的光從太陽附近經過時所偏轉的角度,結果與愛因斯坦的預言相符合,這進一步證實了廣義相對論。

此後,廣義相對論的幾大預言——引力紅移、引力時間膨脹效應、引力波,都被逐一證實,這奠定了廣義相對論在現代物理學中的重要地位。迄今為止,廣義相對論是描述宇宙引力現象最為成功的理論,萬有引力定律只是廣義相對論在弱引力場中的一種近似理論。


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廣義相對論是研究物質引力相互作用的理論,其最本核心的內容就是引力場方程:

別看這個引力場方程形式上十分簡單,但其卻是一個二階偏微分方程,表達的意思卻十分複雜,每一個字母都代表了極其複雜的含義。想要解這個方程,可謂難中之難。到目前為止,此方程的解也十分有限,其中一個解就是著名的史瓦西解,對應的就是大名鼎鼎的黑洞。



廣益相對論的思想就是認為引力只是時空的幾何彎曲的表象而已,引力並不像其它三種基本力一樣,它並不是力。這種描述可以說是顛覆性的,而時空彎曲更是徹底的和牛頓平坦時空不同,完全是人們之前想到沒想過的。廣義相對論在當時可謂驚世駭俗,好在隨著水星進動的測量,證明了相對論的預言之一:大質量天體會扭曲時空導致光線彎曲。而前幾年的引力波發現,更加肯定了廣義相對論的正確性。但其實,這些預言都已經包含在相對論引力場方程之中了。



要不怎麼說愛因斯坦偉大呢,一個人獨立建立起來了物理學兩大之柱之一的相對論,這基本上等同於神一樣的存在。


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速度是相對的,那麼加速度是否是相對的呢?

愛因斯坦在1905年提出狹義相對論,其中討論的各個參考系都是限於慣性系。隨後,愛因斯坦就開始思考如下的問題:速度是相對的,那麼加速度是否是相對的呢?這樣,愛因斯坦就花了了將近10年的時間,把相對論擴展到了具有加速度的非慣性系。

等效原理和廣義協變原理

愛因斯坦首先做了一些考慮,當人乘坐電梯是,如果電梯鋼索斷裂,電梯自由下降,那麼裡面的人處於失重狀態,那麼慣性力就抵消了重力。愛因斯坦把慣性質量和引力質量做了等效,把加速度和引力場等同起來,這就是等效原理。愛因斯坦還認為:物理學的定律,對於任何運動的參考系都成立,這就是廣義相對性原理。

愛因斯坦場方程- 協變的引力場方程

廣義相對論涉及到引力問題,將空間-時間和引力聯繫起來。在1915年,愛因斯坦建立了協變的引力場方程。首先,解決了物理上的基本概念問題,那就是引力的本質就是時空彎曲,有引力場的空間-時間是彎曲的,催生了蟲洞這些概念。同時在數學上,愛因斯坦利用黎曼幾何解決了數學表述,當然公式神馬的,反正我們都看不懂,就在本問答裡忽略了。

廣義相對論的實驗驗證

多年以來,愛因斯坦的廣義相對論已經被大量實驗證實,例如愛因斯坦根據廣義相對論所做的一些預言都被驗證了,例如:光在引力場中的紅移,光線在經過引力場的偏折,水星軌道近日點的進動,還有最近大熱的引力波,愛因斯坦早就理論預言,物質加速運動時有引力波的出現,而2018年LIGO團隊探測到兩個黑洞合併產生的引力波,補齊了愛因斯坦預言的最後一塊拼圖。

愛因斯坦是現代物理學的奠基人,一己之力提出相對論,還是量子論三巨頭之一。他改變了人類的時空觀念,開闢了人類研究宇宙的新方向。


量子實驗室


愛因斯坦的廣義相對論研究的是物體相對周圍被加速的情況,尤其是那些在過去來看被認為是“引力”作用而引起的加速。 廣義相對論將引力解釋為時空的彎曲。物體在被其他物體的質量彎曲的空間中只是沿著“最容易的”路徑運動,按照這個理論, 行星圍繞恆星運行的軌道,彗星走過的雙曲線路徑,並不是因為引力的“作用”,而是恆星質量引起空間的扭曲使然。

愛因斯坦受到他後來稱之為 “我一生中最幸福的思考,如果一 個人自由下落,他將感知不到自己的質量”的啟發。其重要的思想就是關於空間和時間的一—在他的狹義相對論中,二者已經被關聯起來了,並非平直的,而是彎曲的, 被存在的物質所彎曲。愛因斯坦認識到這個曲率將導致一種被稱為引力的現象。牛頓認為引力是物體之間相互吸引的力,雖然他的方程很完美,但是他經常會小心翼翼地說,自己並不知道這作用於遙遠物體之間的奇怪的力到底是什麼。廣義相對論解決了這個問題。其實並沒有力,物體只是簡單地沿著時空中最短的路徑運動而已。

在平整的表面,最短的路徑是直線,也稱測地線。在地球這樣的球面上,測地線則是圓上的 一段圓弧。但在複雜的彎時空中,物體所遵循的測地線也許是橢圓或雙曲線,或是牛頓引力理 論所描述的任何路徑。其實根本沒有所謂的引力:就像美國物理學家約翰·惠勒總結的那樣,“空 間告訴物質如何運動,物質告訴空間如何彎曲”。

實際上,一旦愛因斯坦掌握 了描述他四維曲面的微妙的數學工具後,相對論就像17世紀的牛頓方程式一樣,使一切都變得清 楚了,除了一些極端的情況外。 這些情況包括質量極大的事 物,在那裡時空彎曲嚴重,牛頓 方程式不能成立。愛因斯坦意識到這種差異在水星軌道上就能觀測到。天文學家對那顆距離太陽很近的小小的行星進行了長期觀測,發現它的軌道一直在變化, 這種運動在經典的引力理論中無 法解釋。但是在相對論看來,這種由於在太陽附近而產生的額外的空間彎曲,正好將水星的軌道扭曲成目前的樣子。

幾年後,愛因斯坦將廣義相對論的場方程擴展應用到宇宙學中,令他沮喪的是,方程預言了一個動態的宇宙,宇宙必須是膨脹或收縮的,而不可能是科學界普遍認為的靜態的。於是愛因斯坦引入了一個他稱為“宇宙常數”的力, 來使他的方程能夠得到靜態宇宙的結果。“這是我一生中犯下的最大的錯誤”,他後來回憶道。 這之後不久,天文學家發現了宇宙確實在膨脹,相對論自始至終都是正確的。


天馬行文


愛因斯坦一生成就非凡,二十世紀的兩大物理學支柱之一相對論完全是出自他一人之手,而另一大支柱量子力學愛因斯坦也是重要的領路人。有的人可能會說愛因斯坦不是強烈的反對量子力學嗎?其實並不是,愛因斯坦只是反對哥本哈根派對於量子力學的解釋。

廣義相對論是愛因斯坦在提出狹義相對論十年後才被提出,十年磨一劍,此劍可開天可闢地,廣義相對論的主要工具就是“場方程”,大多數的發展研究都是從解這個方程開始的。但這是一個非線性的偏微分方程,很難求解只能依靠電腦。



黑洞和蟲洞都是場方程中的特解,只是前者已經被發現真實存在,而可實現穿越時空的蟲洞尚未被證實。廣義相對論的核心內容應該就是四個字“時空彎曲”。廣義相對論從本質上解釋了引力,認為引力並非真正的力而是由時空彎曲引起的外在表現。簡單的說:物質告訴時空如何彎曲,彎曲的時空告訴物質如何運動。

可以說廣義相對論主要是用來研究天體結構和演化以及宇宙的結構和演化,並且已經成為重要的理論基礎。他的廣義相對論場方程曾用來研究宇宙演化,發現了宇宙膨脹的事實,但是當時穩態宇宙觀是主流思想,愛因斯坦也並沒有突破這種觀點。在自己的方程中加入了宇宙常數,讓宇宙停止膨脹。直到1929年哈勃的發現,讓愛因斯坦意識到了自己的錯誤。宇宙的確是在膨脹。



所以說廣義相對論就是研究宇宙、天體,研究時空彎曲的.



科學黑洞


我們都知道愛因斯坦的相對論以及一眾物理學家創立的量子力學是現在人們認知宏觀宇宙、微觀世界的工具,是物理學中的兩座雄偉的大廈,目前人們在做的工作就是讓這座大廈儘可能的堅固美觀一些。

1905年,這一年是愛因斯坦的奇蹟年,在這一年中愛因斯坦發表了光量子假說,解決了光電效應的問題,後來也因此獲得了諾貝爾獎,提出了狹義相對論,糾正了之前延續一百多年牛頓時代的觀點,廢除了絕對時空,建立了不同於牛頓時空觀的新的平直時空理論。

但狹義之所以狹義是因為只適用於慣性參考系,在慣性參考系的定義上,科學家又遇到了難題,怎麼去定義慣性參考系呢?

我們知道,一個物體不受外力保持靜止或勻速直線運動狀態不變的參考系是慣性參考系,又遇到難題了,怎麼去定義不受外力呢?即一個物體保持靜止或勻速直線運動狀態不變時,這個物體不受外力,這就陷入到了邏輯的死循環之中。

愛因斯坦比較果斷,直接將慣性系從狹義相對論中踢走,基於等效原理,建立了適用於任何參考系的廣義相對論,將引力納入進來,廣義相對論認為引力並不是牛頓力學上解釋的吸引力,引力不是力,引力只是物質彎曲時空產生的幾何效應而已。

由愛因斯坦的廣義相對論,人們直接推導出了大量的物質聚集於一個點上那就是黑洞,同時廣義相對論還預言了引力透鏡、光譜線的引力紅移、引力波等,也已相繼被科學觀測所證實。

愛因斯坦直到現在依然是對的。

廣義相對論中最重要的原理就是等效原理,直接關係到了將狹義相對論推廣到所有參考系中,等效原理即:慣性質量等於引力質量(本來是呈正比的,但後來加了一個係數,就直接可以等於了)。

什麼是慣性質量?我們在平地上推動一輛空車與一輛載貨車,我們施加一樣的力,顯然空車獲得的加速度比載貨車大,這就表明物體獲得加速度的大小不僅與施加的力有關還與其某種特性有關,這個特性就是慣性質量,載貨車獲得的加速度小,這是因為載貨車的慣性質量大,施加同樣的力不容易改變它原有的狀態。空車獲得的加速度大,這是因為它的慣性質量小,因此施加同樣的力很容易就改變了空車的運動狀態,這是慣性質量。

而引力質量是,我們平時用天平稱得的質量就是引力質量,比如我們手中拿著一個鐵球,考慮到他們兩者之間的作用力時,考慮的是引力質量。

個人淺見,歡迎評論!


科幻船塢


理論:

1905年, 阿爾伯特 · 愛因斯坦確定, 所有不加速的觀察者的物理定律是相同的, 真空中的光速與所有觀察者的運動無關。 這就是狹義相對論。 它為所有的物理學提出了一個新的框架, 並提出了空間和時間的新概念。

然後, 愛因斯坦花了10年時間試圖將加速度納入理論, 並在1915年發表了他的廣義相對論。 在這本書中, 他斷定大質量物體會導致時空扭曲, 這就像重力一樣。

阿爾伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)在他的狹義相對論中斷定, 所有不加速的觀察者的物理定律是相同的, 他還表明, 無論觀察者的行進速度如何, 真空中的光速是一樣的。 結果, 他發現空間和時間被映射成一個單一的連續體, 稱為時空。 一個觀察者同時發生的事件可能發生在另一個觀察者的不同時間點上。

當他為自己的廣義相對論設計方程時, 愛因斯坦意識到巨大的物體在時空中造成了扭曲。 想象一下, 在蹦床的中心設置一個大的物體。 物體向下壓彎織物, 使其變成一個凹陷。 沿著邊緣滾動的小球會向內螺旋運動, 與行星的引力吸引太空中的小物體的方式大致相同。

實驗證據:

引力透鏡效應: 大質量物體周圍的光線, 例如黑洞, 是彎曲的, 使它成為隱藏在它後面的物體的透鏡。 天文學家經常使用這種方法來研究巨大天體背後的恆星和星系。

水星軌道的變化: 隨著時間的推移, 由於太陽周圍的時空曲率, 水星的軌道隨著時間的推移正在逐漸變化。 在幾十億年內, 它甚至可能與地球發生碰撞。

在旋轉的物體周圍進行時空拖曳: 重物的旋轉, 如地球, 應扭曲和扭曲周圍的時空。 2004年, NASA 發射了重力探測器 b GP-B。 精確校準的衛星使得內部陀螺儀的軸線隨著時間的推移會微微漂移, 這個結果與愛因斯坦的理論是一致的。

引力波: 兩個黑洞的碰撞, 被認為能夠在時空中產生引力波的漣漪。 二零一六年, 激光干涉引力波天文臺(LIGO)宣佈, 它發現了這些引力波的證據。


低熵製造機


這個問題本身難會答,但在歷史角度上,這就是傳統中國和近代西方的根本性差異。

因為愛因斯坦的時空模型在中國根本就不稀奇,但傳統上的均是一些描述,數理和數學不同,然而,這就是一神論下思維表述和中國的具體不同。

因為目前普遍中國是無神論,其實本質上是造神論,造神論其實還是有神論,其實根本的有神論和今天的造神論其實就差一個穩定性元素。

古人有祭祀的。不過古人的廟和中古的寺與今天概念的理解是倆碼事的。

廟是公共單位的。寺據說是國家機構。只不過古人財政能力有限,一般是以廟產寺產為財政供養單位的。

也就是廟都是為歷史確定的元素建造的。同樣不避諱靈驗。

不排斥靈驗和製造神的概念混餚,當然今天的造神需要一杆子都打成迷信了。當然人心不古。

一神論之下很明顯的,把時間當成一體單位。實際上要麼把空間當成一體,要麼把時間當成一體,要麼把科學當成一體。

總之一神論總要尋找一體的。

因此,老外那裡有一體同觀要素。中國也有,但沒那麼重要的。

三國演義的馬援廟是最為重要的實證。

諸葛亮七擒孟獲,夜禱馬援廟。

馬援是伏波將軍,漢朝南征的大將,南征完了建個廟紀念一下不足為過。

夜裡祈禱一下地下水冒出來顯靈也很常見是吧?

因此,相對論其實就是一體觀的靜態幾何。

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解釋了這麼半天還不知道什麼。

一體觀和幾何都知道吧?

實際上就是把幾何現象都聯繫在一起,就成了相對論。


哦發發發


,相對論與時空扭曲,曲折離奇,無非是呈現給世界的,宇宙雖遙不可及,但依然是對立統一體,我們在思考一個問題的同時,時空有意識的也在思考同樣的一個問題,所以開拓思路再有機的組合統一,碩大天體扭曲空間自然顯象,好比潮汐鎖定,那麼本能規律產生,我們遵循自然法則,同一件事在不等同產生,我們還是沒有假定,人的記憶組紛繁複雜,若隱若現,若即若離,對立統一,即時空分離,又在不同的聯想中與不等同的時間相符,,玄之又玄,,,,,,,?


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