广义相对论的简单解释:四维空间爱因斯坦对鬼的解释时间简史

导读: 相对论是什么?很多人都不明白相对论分广义相对论和狭义相对论是有什么区别,对相对论的分析解读根本读不懂,让我们听着专家的讲解一步步了解相对论。 爱因斯坦的广义相对论预言,巨大的物体会扭曲它们周围的时空。而美国宇航局的重力探测器B发现,地球周围



相对论是什么?很多人都不明白相对论分广义相对论和狭义相对论是有什么区别,对相对论的分析解读根本读不懂,让我们听着专家的讲解一步步了解相对论。

爱因斯坦的广义相对论预言,巨大的物体会扭曲它们周围的时空。而美国宇航局的重力探测器B发现,地球周围的时空确实被我们地球所弯曲,并被地球的旋转运动所扭曲。


阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在问世一个世纪后,仍然经受得住时间的考验。

爱因斯坦于1915年发表的这一著名理论,至今仍是科学家们理解宇宙起源和进化的基石。它继续激发着人们去研究物理学和天文学中的一些最基本的未解之谜。

来自斯坦福大学卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所的罗杰·布兰德福德说:“我认为广义相对论现在被普遍接受为我们用于描述宇宙的基础(即我们称之为宇宙学的学科);黑洞、中子星以及我们的太阳系中的行星和宇宙飞船的微小轨道修正都是如此。”

引力的性质

广义相对论将引力添加到爱因斯坦1905年发表的狭义相对论中。狭义相对论假定所有非加速观察者的物理定律都是相同的;即使观察者或光源在运动,真空中的光速也不会改变。

狭义相对论在历史上最著名的方程式E = mc2中也阐明了能量和质量之间的关系。(“E”是能量;“m”是质量,“c”是真空中的光速——大约6.71亿英里每小时,或10.8亿公里每小时)。该理论还将空间和时间统一为一个四维的“时空”。

广义相对论对后一种观点进行了扩展,该理论解释说物质会扭曲时空,就像放在床上的保龄球会在床单上造成凹陷一样。但这并不是爱因斯坦拍一拍后脑勺就想到的,在经过了10多年的高强度思考和努力之后他才最终想到这一非凡的洞见。

布兰德福德说:“他不得不收回某些观点。他提出了一些观点,但后来又会收回,不过他一直在前进的道路上,”引导他的不是数学思想或数学技巧,对他引导最大的是他的物理直觉,他的这种异常强大的物理直觉在过去对他很有帮助,也没有让他失望。”

相比于把引力认为是一种作用于物体上的固有力,广义相对论将引力描述为时空弯曲的结果。(想象一下,一个球从保龄球在床上造成的斜坡上滚下来。)

布兰德福德在3月5日发表在《科学》杂志网络版上的一篇特别评论文章中写道,这是一个强而有力的、并且非常激进的想法,但它已经经受住了近一个世纪的严格审查。

多方确认

广义相对论预测,光在经过一个巨大物体(比如星系团)的时候会走出一条弯曲的路径,因为星团会极大地扭曲时空结构。

这一点也确实被科学家们所观察到;天文学家经常使用“引力透镜”来研究遥远的光源。事实上,在更小的宇宙范围内,这种现象甚至帮助了行星猎人寻找太阳系以外的外星世界。(有时候通过研究系外行星的恒星系统如何弯曲来自背景天体的光,我们就可以发现系外行星。)

水星绕日轨道的特殊性也支持着广义相对论。

布兰德福德在科学评论文章中写道:“广义相对论解释了水星在近日点的异常旋进。”爱因斯坦用广义相对论解释了由于其他行星的引力而导致水星进动有10%左右的差异,大约每世纪43弧秒。”

布兰德福德说,其他类型的观测证据也帮助广义相对论站稳了脚跟。

他说:“我们已经用许多不同的方式进行了测试,我认为,公平地说,目前还没有可靠的测量或观察结果会让人怀疑广义相对论的适用性。”

黑暗的宇宙

普林斯顿大学的大卫·斯佩格尔(David Spergel)在同一期《科学》杂志上发表的另一篇评论文章中写道,广义相对论还暗示,宇宙的绝大部分都是由人类无法直接探测到的物质构成的,人类甚至(或者现在还)无法理解这些物质。

斯佩格尔指出,通过对宇宙中物质和光的运动进行仔细研究,科学家们发现只用“正常”的物质无法解释时空的曲率模式。事实上,观察表明,宇宙中只有5%是我们熟悉的原子物质,其余25%是暗物质,大约有70%是暗能量。

暗物质既不发光也不吸收光,我们只有通过其引力效应才能知道其存在。而暗能量是一种与真空有关的神秘力量,它被认为是宇宙加速膨胀的原因。

1917年,爱因斯坦在广义相对论中加入了一个名为“宇宙常数”的术语,这个“宇宙常数”作为一种排斥力会抵消引力,以实现一个静态的宇宙(这是当时对宇宙本质的主流看法)。1929年,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的观测结果显示,宇宙实际上正在膨胀,这一著名发现使爱因斯坦放弃了“宇宙常数”,据称他认为这是他一生中“最大的败笔”。

但是当现在天文学家们正在努力研究暗能量的本质时,这个“宇宙常数”看起来很有先见之明。

“为什么宇宙在加速膨胀?最被研究得最多的可能性是宇宙常数(或者说是真空空间的真空能量)正在驱动宇宙加速膨胀,”斯佩格尔在《科学》杂志的文章中写道,“另一种可能性是宇宙中存在一个不断演化的标量场,它充满了太空(就像希格斯场或推动宇宙早期快速膨胀的膨胀场)。这两种可能性都集中在‘暗能量’中。”

“因为所有暗能量的证据都使用广义相对论来解释我们对宇宙膨胀和进化的观察,所以另一个结论是,我们需要一个新的引力理论来解释这些观察,”他补充道,“可能性包括具有额外维度的修正引力理论。”

未来

布兰德福德说,广义相对论应该会在相当长的未来里继续影响物理学家、宇宙学家和天文学家的学术研究。

例如,研究人员将继续使用这一理论来更好地理解黑洞、中子星以及其他天体和现象。科学家们还将继续探索暗能量和暗物质的本质,努力在最广的尺度上理解宇宙。

最后,或许也是最令人兴奋的是,研究人员将继续努力尝试把广义相对论与量子力学统一起来,把最大的世界和最小的世界结合起来。到目前为止,虽然物理学家们还没有找到这种伟大而诱人的“万物理论”,但布兰德福德表示,他认为这是可以实现的。

他说:“科学家们有很多令人兴奋的想法,我是一个乐观主义者,希望我的同事们能取得成功。”