颠覆物理世界的广义相对论(1)
1905年，26岁的德裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表了具有划时代意义的5篇物理学论文，这几篇论文奠定了狭义相对论的基础。在之后的10年时间里，爱因斯坦不断对自己的理论进行探索、研究和完善。
1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论，终于完成了一项具有划时代意义的伟大工程。由于广义相对论理论十分严谨，而且获得了天文观测上的证实，在问世后不久便引起了极大的轰动，现代物理学的大门从此正式开启。
时至今日，广义相对论已诞生整整100年，广义相对论不仅改变了全人类对时空乃至整个宇宙的认识，还大大推动了科学技术的发展。或许，直到现在你根本不清楚什么是广义相对论，但它的确已经深刻地影响了整个人类社会，直接或间接地影响了我们每一个人。
颠覆传统的时空观
广义相对论对人类思想的最大冲击，便是它颠覆了人类传统的时空观。在爱因斯坦之前，牛顿经典力学早已经过了几百年的发展，并被一些人认为已经臻于完美。然而，到了19世纪末，臻于完美的经典物理学殿堂上空却出现了一朵“乌云”，那就是迈克尔逊-莫雷实验寻找绝对参考系“以太”遭遇了失败。在经典力学时期，人们套用机械波的概念，想象宇宙中必然有一种能够传播光波的弹性物质，物理学家称之为“以太”，并把这种无处不在的“以太”看作绝对静止参考系。这个绝对静止的参考系便是牛顿经典物理学最根本的基石。但是，这个理论面临一个新的问题：地球以每秒30千米的速度绕太阳运动，那就必然会遇到每秒30千米的“以太风”迎面吹来，同时，这个“以太风”也必将对光的传播产生影响。也就是说，如果存在“以太”，那么当地球穿过“以太”绕太阳公转时，在地球通过“以太”运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。
, 百拇医药
为了寻找“以太”，迈克尔逊和莫雷用迈克尔逊干涉仪反复测量了两束垂直光的光速差值，结果却证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。这一实验结果否认了“以太”(绝对静止参考系)的存在，经典物理学开始动摇。
20世纪初，爱因斯坦先后提出了狭义相对论和广义相对论，证明了自然界根本不存在绝对静止的参考系。他用一个简单的“时空”代替了作为独特实体的空间和时间，“时空”对于处在不同位置和不同运动状态的观察者而言，看上去是不同的。
爱因斯坦指出，在像地球这样的大质量的物体附近，时间流逝得更慢一些。这是因为光的能量和它的频率有一种关系，即能量越大，频率越高。当光从地球的引力场往上行进，它失去能量后频率下降，会表现为光波的两个相邻波峰之间的时间间隔变大。因此，在地球上空的某个人看来，下面发生的每一件事情都需要更长的时间。简单地说，就是对于坐在地面上的一个人和坐着飞机旅行的另一个人而言，时间流逝速度并不相同。不难看出，相对论作为一种新的理论已经彻底颠覆了牛顿力学的时空观。后来，有人对比了位于水塔底和水塔顶的两个时钟，发现位于塔底那个更接近地球的钟的确走得慢些。
, 百拇医药
爱因斯坦的时空观被证实后，牛顿力学的时空观“寿终正寝”。尽管牛顿力学在普通宏观低速的情况下可以作为一种近似计算而运用，但在概念上，牛顿力学对客观世界的描述实际上已经是一种错误。
重新诠释“运动”和“引力”
基于不同的时空观，便会产生不同的物体运动理论。爱因斯坦指出，对于描述物理现象的自然定律，在任意运动的参考系中全都应当“平权”。也就是说，物理方程在任意坐标变换下都必须是协变的，都应具有相同的数学形式。这就是广义相对性原理，也称广义协变原理。为了赋予广义协变性以具体的物理内容，爱因斯坦从物体的惯性质量与引力质量等价这一经验事实出发，提出了在一个小体积局域内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效的所谓等效原理。根据等效原理，爱因斯坦认为物体的运动方程其实就是它在参考系中的“测地线方程”，而物体的“测地线方程”与其自身的固有性质无关，只取决于时空区域的几何性质。这就涉及到了广义相对论中对于“引力”的诠释。
, http://www.100md.com
根据牛顿力学理论：物质的存在，产生万有引力。爱因斯坦却认为，时空本身就不是平坦的，引力只是时空的一种几何属性，即引力是由时空弯曲后的畸变引起的，引力场会影响时间和距离的测量。举一个典型的例子，像地球这样的行星并非是由于受到被称为“引力”的力而沿着弯曲的轨道运动的，相反，它只是沿着弯曲空间中最接近于直线路径的轨迹运动。只不过这个轨迹在“四维时空”中是一条直线的路径，但在三维空间中看起来是一条弯曲的路径而已。这就好比一架在峰峦起伏、凹凸不平的地面上空飞行的飞机，虽然它沿着“三维时空”中的直线飞，但它在二维地面上的影子却是沿着一条弯曲的路径运动。基于这种对“引力”的全新解释，爱因斯坦以纯推理的方式推导出了一个比牛顿引力定律精确得多的、更为合理的引力场方程，这就是广义相对论的基础。
可以说，广义相对论是一种关于万有引力本质的理论，是人们对物质、时空与引力场之间的关系在认识上的进一步深化和统一，它精确地证实了物质运动和空间时间的不可分割性。广义相对论认为质点在引力场中是沿着弯曲时空的短程线运动，这种把引力场“几何化”的物质运动理论在深度和广度上都拓宽并发展了牛顿的引力理论。
, http://www.100md.com
“四大验证”惊世骇俗
广义相对论诞生后，其颠覆性的“时空观”和“引力说”首先便在天体物理学上得到了验证。其中最赫赫有名的就是水星近日点进动、光线弯曲、引力红移和雷达回波延迟这“四大验证”。
第一个是水星近日点进动。早在19世纪中叶，天文学家便发现水星在近日点进动的观测值与根据牛顿定律计算的理论值存在一个每世纪43角秒的偏差。这个偏差在随后的数十年内都没有得到合理的解释，直到广义相对论问世之后才迎刃而解。原来，水星是最接近太阳的内行星，离中心天体越近，则引力场越强，时空弯曲的曲率就越大。爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动，他计算得到的水星近日点进动的数值与实际的观测值极其吻合。, 百拇医药(姚丁杨)
1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论，终于完成了一项具有划时代意义的伟大工程。由于广义相对论理论十分严谨，而且获得了天文观测上的证实，在问世后不久便引起了极大的轰动，现代物理学的大门从此正式开启。
时至今日，广义相对论已诞生整整100年，广义相对论不仅改变了全人类对时空乃至整个宇宙的认识，还大大推动了科学技术的发展。或许，直到现在你根本不清楚什么是广义相对论，但它的确已经深刻地影响了整个人类社会，直接或间接地影响了我们每一个人。
颠覆传统的时空观
广义相对论对人类思想的最大冲击，便是它颠覆了人类传统的时空观。在爱因斯坦之前，牛顿经典力学早已经过了几百年的发展，并被一些人认为已经臻于完美。然而，到了19世纪末，臻于完美的经典物理学殿堂上空却出现了一朵“乌云”，那就是迈克尔逊-莫雷实验寻找绝对参考系“以太”遭遇了失败。在经典力学时期，人们套用机械波的概念，想象宇宙中必然有一种能够传播光波的弹性物质，物理学家称之为“以太”，并把这种无处不在的“以太”看作绝对静止参考系。这个绝对静止的参考系便是牛顿经典物理学最根本的基石。但是，这个理论面临一个新的问题：地球以每秒30千米的速度绕太阳运动，那就必然会遇到每秒30千米的“以太风”迎面吹来，同时，这个“以太风”也必将对光的传播产生影响。也就是说，如果存在“以太”，那么当地球穿过“以太”绕太阳公转时，在地球通过“以太”运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。
, 百拇医药
为了寻找“以太”，迈克尔逊和莫雷用迈克尔逊干涉仪反复测量了两束垂直光的光速差值，结果却证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。这一实验结果否认了“以太”(绝对静止参考系)的存在，经典物理学开始动摇。
20世纪初，爱因斯坦先后提出了狭义相对论和广义相对论，证明了自然界根本不存在绝对静止的参考系。他用一个简单的“时空”代替了作为独特实体的空间和时间，“时空”对于处在不同位置和不同运动状态的观察者而言，看上去是不同的。
爱因斯坦指出，在像地球这样的大质量的物体附近，时间流逝得更慢一些。这是因为光的能量和它的频率有一种关系，即能量越大，频率越高。当光从地球的引力场往上行进，它失去能量后频率下降，会表现为光波的两个相邻波峰之间的时间间隔变大。因此，在地球上空的某个人看来，下面发生的每一件事情都需要更长的时间。简单地说，就是对于坐在地面上的一个人和坐着飞机旅行的另一个人而言，时间流逝速度并不相同。不难看出，相对论作为一种新的理论已经彻底颠覆了牛顿力学的时空观。后来，有人对比了位于水塔底和水塔顶的两个时钟，发现位于塔底那个更接近地球的钟的确走得慢些。
, 百拇医药
爱因斯坦的时空观被证实后，牛顿力学的时空观“寿终正寝”。尽管牛顿力学在普通宏观低速的情况下可以作为一种近似计算而运用，但在概念上，牛顿力学对客观世界的描述实际上已经是一种错误。
重新诠释“运动”和“引力”
基于不同的时空观，便会产生不同的物体运动理论。爱因斯坦指出，对于描述物理现象的自然定律，在任意运动的参考系中全都应当“平权”。也就是说，物理方程在任意坐标变换下都必须是协变的，都应具有相同的数学形式。这就是广义相对性原理，也称广义协变原理。为了赋予广义协变性以具体的物理内容，爱因斯坦从物体的惯性质量与引力质量等价这一经验事实出发，提出了在一个小体积局域内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效的所谓等效原理。根据等效原理，爱因斯坦认为物体的运动方程其实就是它在参考系中的“测地线方程”，而物体的“测地线方程”与其自身的固有性质无关，只取决于时空区域的几何性质。这就涉及到了广义相对论中对于“引力”的诠释。
, http://www.100md.com
根据牛顿力学理论：物质的存在，产生万有引力。爱因斯坦却认为，时空本身就不是平坦的，引力只是时空的一种几何属性，即引力是由时空弯曲后的畸变引起的，引力场会影响时间和距离的测量。举一个典型的例子，像地球这样的行星并非是由于受到被称为“引力”的力而沿着弯曲的轨道运动的，相反，它只是沿着弯曲空间中最接近于直线路径的轨迹运动。只不过这个轨迹在“四维时空”中是一条直线的路径，但在三维空间中看起来是一条弯曲的路径而已。这就好比一架在峰峦起伏、凹凸不平的地面上空飞行的飞机，虽然它沿着“三维时空”中的直线飞，但它在二维地面上的影子却是沿着一条弯曲的路径运动。基于这种对“引力”的全新解释，爱因斯坦以纯推理的方式推导出了一个比牛顿引力定律精确得多的、更为合理的引力场方程，这就是广义相对论的基础。
可以说，广义相对论是一种关于万有引力本质的理论，是人们对物质、时空与引力场之间的关系在认识上的进一步深化和统一，它精确地证实了物质运动和空间时间的不可分割性。广义相对论认为质点在引力场中是沿着弯曲时空的短程线运动，这种把引力场“几何化”的物质运动理论在深度和广度上都拓宽并发展了牛顿的引力理论。
, http://www.100md.com
“四大验证”惊世骇俗
广义相对论诞生后，其颠覆性的“时空观”和“引力说”首先便在天体物理学上得到了验证。其中最赫赫有名的就是水星近日点进动、光线弯曲、引力红移和雷达回波延迟这“四大验证”。
第一个是水星近日点进动。早在19世纪中叶，天文学家便发现水星在近日点进动的观测值与根据牛顿定律计算的理论值存在一个每世纪43角秒的偏差。这个偏差在随后的数十年内都没有得到合理的解释，直到广义相对论问世之后才迎刃而解。原来，水星是最接近太阳的内行星，离中心天体越近，则引力场越强，时空弯曲的曲率就越大。爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动，他计算得到的水星近日点进动的数值与实际的观测值极其吻合。, 百拇医药(姚丁杨)