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广义相对论  

2013-10-09 12:50:10|  分类: 无关技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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广义相对论 - itoedr - itoedr的it学苑
预测中的白洞与黑洞

概念

相对论问世,人们看到的结论就是:四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说,以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论"。甚至有人说"全世界只有两个半 人懂相对论"。更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论。其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不 是高不可攀的。
相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何,而是黎曼几何。 相信很多人都知道非欧几何,它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何,称为黎曼几何。在非欧几何里,有很多奇怪的结论。三角形内角 和不是180度,圆周率也不是3.14等等。因此在刚出台时,倍受嘲讽,被认为是最无用的理论。直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视。
空间如果不存在物质,时空是平直的,用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的,就是四维伪欧几里得空间。加一 个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i。当空间存在物质时,物质与时空相互作用,使时空发生了弯曲,这是就要用非欧几何。而且不存在没有物质的空间, 因为就算有你也永远无法发现,因为当你看见它的同时,它就有了物质,最起码是光。
相对论预言了引力波的存在,发现了引力场与引力波都是以光速传播的,否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出,遇到大质量天体, 光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下,看到的是个环,被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是 稳定的,它要么膨胀要么收缩。当时宇宙学认为,宇宙是无限的,静止的,恒星也是无限的。于是他不惜修改场方程,加入了一个宇宙项,得到一个稳定解,提出有 限无边宇宙模型。不久哈勃发现著名的哈勃定律, 提出了宇宙膨胀学说。爱因斯坦为此后悔不已,放弃了宇宙项,称这是他一生最大的错误。在以后的研究中,物理学家们惊奇的发现,宇宙何止是在膨胀,简直是在 爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内,宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来 丰富和发展粒子物理。这样,物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支:粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来。就像高中物理序言中说的那样,如同一 头怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是,虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了,但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一,而且是最有希望的。
黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言,它们的内容却已经超出了相对论的限制,与量子力学,热力学结合的相当紧密。今后的理论有希望在这里找到突破口。

公式

根据广义相对论中“宇宙中一切物质的运动都可以用曲率来描述,引力场实际上就是一个弯曲的时空”的思想,爱因斯坦给出了著名的引力场方程(Einstein's field equation):<math>R_ - \fracg_ R = - 8 \pi {G \over c} T_ </math>
其中 G 为牛顿万有引力常数,这被称为爱因斯坦引力场方程,也叫爱因斯坦场方程。该方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程。它以复杂而美妙著称,但并不完美,计算时只能得到近似解。最终人们得到了真正球面对称的准确解——史瓦兹解。加入宇宙学常数后的场方程为:
R_ - \fracg_ R + \Lambda g_= - 8 \pi {G \over c} T

原理

由 于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理:广义相对性原理。其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效 的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别。但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可 以同样有效的描述自然律。这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求。通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3.14。因此,普通参考 系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变原理:光速在任意参考系内都是不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的,在三维空 间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子。第三个原理是最著名的等效原理。质量 有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义。引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义。它们是互不相干的两 个定律。惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系。那么惯性质量与引力质量(引 力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系。然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相 等)。广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容。惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系。这样,非惯性系与引力之间也建立了联 系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对 论的一切理论。初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道。等效原理使爱因斯坦认识到, 引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质。由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空。在广义相对论建立之初, 曾有第四条原理,惯性定律:不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中,就是沿着测地线运动。测地线是直线的推广,是两点 间最短(或最长)的线,是唯一的。比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯 性定律变成了惯性定理。值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿 力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速。

验证

爱因斯坦在建立广义相对论时,就提出了三个实验,并很快就得到了验证:(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。后来才增加了第四个验证:(4)雷达回波的时间延迟。
(1)引力红移: 广义相对论证明,引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近,时间越慢。这样,天体表面原子发出的光周期变长,由于光速不变,相应的频率变 小,在光谱中向红光方向移动,称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体,可以测量它们发出的光的频率,并与地球的相应原子发出的光作比较,发现红移量与相对 论预言一致。60年代初,人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移,结果与相对论预言 一致。
(2)光线偏折:如果按光的波动说,光在引力场中不应该有任何偏折,按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物,用普朗克公式E=hv和质能公式E=Mc^2 求出光子的质量,再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0.87秒,按广义相对论计算出的偏折角是1.74秒,正好大了一倍,对它的检验显然 成为对广义相对论的严峻考验。1919年春夏之交,英国爱丁顿和戴森分别率领的考察队在西非几内亚湾的普林西比岛和南美巴西的索布拉尔,利用日全食的时机 进行观测,结果分别是1.61秒和1.98秒,在误差范围内证实了广义相对论的结果。精密测量进一步证实了相对论的结论。
(3)水星近日点的进动:天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒,人们考虑了各种因素,根据牛顿理论只能解释其中的5557秒,只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差,这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。
(4)雷达回波实验:从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间,来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代,美国物理学家克服重重困难做成了此实验,结果与相对论预言相符。

确证

伟大科学家爱因斯坦早于上世纪发表的“时间相对论”,一般国际科学家要100多年后的昨天才终于确证。
1905年,爱因斯坦订立著名的时间相对论,指一件对象相对于另一对象移动的速度,会使时间加快或减慢。根据这个假设,一个移动中的时钟秒针应比一个静止平放的时钟秒针跳动得慢,这现象称为“时间稀释”。
报道称,国际科学家发表报告指出,他们利用分子加速器把原子打成两条光束,绕圈而行,模拟理论中较快的时钟,然后用高精密度的激光光谱测量时间,发现光束相较外界的确慢了一些。实验与爱因斯坦的理论“完全吻合”。
重力感应磁场预言被证实
爱因斯坦相对论中的微“重力感应磁场”预言,首次于实验室得到证实,欧洲航天局日前公布了这项实验结果。
本次实验的首席科学家塔玛(Martin Tajmar)27日接受《第一财经日报》采访时表示,实验所获“重力感应磁场”力比相对论所预言的威力要大得多,并将此磁场命名为“伦敦一刻重力感应磁场”(Gravitomagnetic London Moment)。
之前,已有超导(电)体的高速旋转能产生“感应磁场”的证明。但此前相对论预言,存在类地球引力磁场,即“重力感应磁场”,不过影响力很弱,此次试验对此作出了证明。
实验的主要仪器是特制的加速器。“重力感应磁场”主要产生于超导(电)体的高速旋转。
据了解,实验中的旋转速度达到了一分钟6500次。超导体是一种特殊的材料,很多微型加速感应器被放置在高旋超导体的不同部位,记录各种外部感应数据,数据显示,感应影响力远超于爱因斯坦的预言。
塔玛还表示,在发表这一实验结果之前,已经经历了250次尝试,改善实验仪器3年多,并且花了8个月的时间验证结果的有效性。已经可以非常自信地保证实验过程的合理性。但是他也同时强调,这一实验仪器并不具有唯一排他性。
塔玛表示,还希望能够有其他的实验组进行同样的实验来确认他们实验结果的精确性,这项技术在军事和空间技术上将能广泛地应用。
他说,如果得到确信,这可以说是一项伟大的突破,开启了爱因斯坦相对论研究的全新调查手段,并且影响整个量子领域。
欧洲航空局空间动力领域主管马特斯(Clovis J.deMatos)告诉本报记者,这项实验结果是否是相对论的一种突破,还在进一步讨论之中,虽然是否能被其他科学家同样验证还是未知数,但实验人员还 将采用大量高速旋转的地球引力波色子,“重力波色子”继续完善这一感应磁场的模板。

理论分野

传 统上,在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期,人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。随着相对论理论的发展,这种分类方法 越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的,以这样一个相对的物理对象来划分物理理论,被认为较不能反映问题的本质。一般认为,狭义与广义相对论的区别 在于所讨论的问题是否涉及引力(弯曲时空),即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题,而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学 的。用相对论的语言来说,就是狭义相对论的背景时空是平直的,即四维平凡流型配以闵氏度规,其曲率张量为零,又称闵氏时空;而广义相对论的背景时空则是弯 曲的,其曲率张量不为零。
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一个有质量的物体对时空场的影响
 
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