什么是相对论?

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相对论是20世纪物理学革命最伟大成就之一。狭义相对论的核心观点是时间与空间结合为时空。狭义相对论有两个基本假设:光速不变原理和相对性原理。而广义相对论的核心观点是引力的实质是时空弯曲。广义相对论一个突出的、极其富有启发性的观点是:所谓引力,并不是像电磁力那样、由异种电荷吸引而产生的力,而是四维时空弯曲的结果。物体总是选择“最短路径”运动,即物体在四维时空中沿测地线运行,在三维空间中看来,就好像受到某种“吸引力”一样。而时空之所以会弯曲,是因为巨大质量的物体(如恒星、行星等)“压”在四维时空中,就像三维空间一个铁球压在一块平整的海绵上,把海绵压得弯曲了。广义相对论观点不需要假设一种额外的、叫做“引力”的东西,引力是时空结构自然而然的表现,因而更简洁。广义相对论认为,时间和空间不仅会因大质量物体的存在而弯曲,大质量物体的旋转还会拖动周围时空结构发生扭曲。在爱因斯坦的相对论宇宙学模型里面,大质量天体能扭曲空间,使周围的物体都沿着这个被弯曲的空间运动,包括光在内。

广义相对论的引力场方程是引力势的高度非线性方程;在没有外力(引力除外)的情况下物体在引力场中沿测地线运动(也就是满足弱等效原理的自由落体运动);在弱场和低速近似下广义相对论近似为牛顿引力和牛顿力学第二定律。广义相对论已经成为有用的科学理论,影响了人们的世界观。而GPS时间的校正就是相对论的一个应用。

广义相对论有着各种预言及其实验检验,例如:广义协变原理、等效原理、磁型引力(或说引力磁场)效应、时钟变慢与引力红移、引力波、光线偏折(引力透镜)、行星近日点进动、雷达回波的时间延迟、中子星、引力塌缩与黑洞、黑洞热力学与霍金辐射、大爆炸宇宙模型、计算(数值)广义相对论、量子引力,等等。

遥想当年,物理学博士阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科学院递交了《广义相对论》。在此之前,科学家们从未见过对现实基础如此颠覆性的重构。长久以来,在物理学家们的认知中,光都是沿直线传播的,爱因斯坦的理论完全超出了他们的理解范畴。然而,在1919年的一次日食观测证明,在宇宙范围内,光确实会弯曲。一夜之间,爱因斯坦成了家喻户晓的名字。实质上,广义相对论提出了一种对引力的全新理解,一种颠覆常理的解释。根据广义相对论,时空被描绘成类似蹦床的样子。相对论认为,行星或恒星会对时空的蹦床之网施加作用。

将时空的概念拓展至整个宇宙,考虑到所有恒星及星系的引力作用,物理学家们就可以利用爱因斯坦的方程式这种有效的工具来确定宇宙本身的结构。

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