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1905年爱因斯坦(1879——1955)发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,其它任何事物——速度、长度、质量和经过的时间,都随观察者的参考系(特定观察)而变化。这个理论形成了一个著名的公式:E=MC2狭义相对论认为时间不是绝对的(即固定不变的)。爱因斯坦指出,随着物体(观察者所见到的)线性运动速度的加快,时间会变慢。其二:任何物体以光速运动时,其长度将会缩短为零。提出时间和空间都是绝对的,空间和时间是完全分开的。然而,在相对论数学中,时间和三维空间——长、宽和高,一起构成一个四维空间框架,叫做时空关联集。 爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出等式E=MC2(这里E是能量,M是质量,C是恒定的光速),他用这个等式解释了质量和能量是等价的。现在认为,质量和能量是同一种物质的不同形式,称为质能。例如,如果一个物体的能量减少了一定量E,则它的质量也减少等于MC2的量,然而,质能不会消失,只不过以另一种形式被释放,它叫辐射能量。 1915年发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的,利用数学,爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲,在物体具有很大的相对质量(例如一颗恒星)时,这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物,即使是光线,也改变路径。广义相对论指出,时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时,它的路线是弯曲的,这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩,它周围的时空非常弯曲,即使是光线也无法逃逸。 几百年来牛顿的经典力学使众多人信服,因为他适用于低速、宏观的惯性系。而相对论适用于高速(接近光速)的或微观的量子态以及非惯性系,人们很难通过实验得以证实和观察,所以很多人无法接受这一事实。但相对论可以很好的解决这一问题。因此说相对论是现代物理学的奠基石。
广义相对论 尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美,但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明,如果你改变空间的物质分布,整个宇宙中重力场的改变是同时发生的,这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号(这是为相对论所不容的),而且需要绝对或普适的时间概念,这又是为相对论所抛弃的。1911年,爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系,在密封厢中的人,无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果,还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间,创立了广义相对论。 1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况,即非惯性系中,建立了广义相对论。 1.等效原理——非惯性系与一个引力场等效。 所有的实验结果都得出同一结论:惯性质量等于引力质量。 牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反,引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设。 爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。他认为:如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速,那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它(该惯性系)是静止的。日常经验验证了这一等同性:两个物体(一轻一重)会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强。结果是,引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。引力场中所有的物体“以同一速度下落”是(经典力学中)惯性质量和引力质量等同的结果。 2.广义相对论原理——自然法则(物理学基本规律)在所有的系中都是相同的。 这是爱因斯坦的第四假设,是其第一假设的推广。不可否认,宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”。 3.广义相对论的描述 1912年爱因斯坦意识到如果真实几何中引入一些调整,重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象,如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间-时间实体是弯曲的,那结果是怎样的呢?他的思想是,质量和能量将会造成时空的弯曲,这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果,物体将趋向直线运动,但是,他们的径迹看起来会被重力场弯曲,因为时空被重力场弯曲了。 1913年在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下,爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论,即黎曼几何。这些抽象的理论,在玻恩哈德·黎曼将它们发展起来时,从未想到与真实世界会有联系。我们所认识的重力,只是时空是弯曲的事实的一种表述。 广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动,该现象指出,轨道上运动的行星在绕太阳运行时,每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置,而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现,但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是,光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法,星光在经过太阳附近时,将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行,否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线(瑞士天文学家M.施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述)。第三个预言通常被称为谱线“红移”,即恒星辐射总是背离我们而去。 第一次世界大战刚一结束,英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队,去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发,一个派往巴西的索布拉尔,另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符,立即震撼了全世界的科学家和公众。
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