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愛因斯坦與廣義相對論,廣義相對論是如何提出的?_引力

廣義相對論是描寫物質間引力相互作用的理論。那麼廣義相對論是怎麼提出的?

1905年,愛因斯坦發表了關於狹義相對論的第一篇文章後,並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章,認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美,正是由於普朗克的推動,相對論很快成為人們研究和討論的課題,愛因斯坦也受到了學術界的注意。

1907年,愛因斯坦聽從友人的建議,提交了那篇著名的論文申請聯邦工業大學的編外講師職位,但得到的答覆是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經很有名氣,但在瑞士,他卻得不到一個大學的教職,許多有名望的人開始為他鳴不平,1908年,愛因斯坦終於得到了編外講師的職位,並在第二年當上了副教授。1912年,愛因斯坦當上了教授,1913年,應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。

在此期間,愛因斯坦在考慮將已經建立的相對論推廣,對於他來說,有兩個問題使他不安。第一個是引力問題,狹義相對論對於力學、熱力學和電動力學的物理規律是正確的,但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的,兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞,即以無窮大的速度傳遞,這與相對論依據的場的觀點和極限的光速衝突。

第二個是非慣性系問題,狹義相對論與以前的物理學規律一樣,都只適用於慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說,一切自然規律不應該侷限於慣性系,必須考慮非慣性系。狹義相對論很難解釋所謂的雙生子佯謬,該佯謬說的是,有一對孿生兄弟,哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行,根據相對論效應,高速運動的時鐘變慢,等哥哥回來,弟弟已經變得很老了,因為地球上已經經歷了幾十年。

而按照相對性原理,飛船相對於地球高速運動,地球相對於飛船也高速運動,弟弟看哥哥變年輕了,哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上,狹義相對論只處理勻速直線運動,而哥哥要回來必須經過一個變速運動過程,這是相對論無法處理的。正在人們忙於理解相對狹義相對論時,愛因斯坦正在接受完成廣義相對論。

1907年,愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》,在這篇文章中他第一次提到了等效原理,此後,愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷髮展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據,提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。

他還提出了封閉箱的說法:在一封閉箱中的觀察者,不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止於一個引力場中,還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中,這是解釋等效原理最常用的說法,而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。

1915年11月,愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文,在這四篇論文中,他提出了新的看法,證明了水星近日點的進動,並給出了正確的引力場方程。至此,廣義相對論的基本問題都解決了,廣義相對論誕生了。

廣義相對論基本原理是什麼?

1916年,愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》,在這篇文章中,愛因斯坦首先將以前適用於慣性系的相對論稱為狹義相對論,將只對於慣性系物理規律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理,並進一步表述了廣義相對性原理:物理學的定律必須對於無論哪種方式運動著的參照系都成立。

愛因斯坦的廣義相對論認為,由於有物質的存在,空間和時間會發生彎曲,而引力場實際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論,很好地解釋了水星近日點進動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預言是引力紅移,即在強引力場中光譜向紅端移動,20年代,天文學家在天文觀測中證實了這一點。

廣義相對論的第三大預言是引力場使光線偏轉,最靠近地球的大引力場是太陽引力場,愛因斯坦預言,遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發生一點七秒的偏轉。1919年,在英國天文學家愛丁頓的鼓動下,英國派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食,經過認真的研究得出最後的結論是:星光在太陽附近的確發生了一點七秒的偏轉。

英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了觀測報告,確認廣義相對論的結論是正確的。會上,著名物理學家、皇家學會會長湯姆孫說:“這是自從牛頓時代以來所取得的關於萬有引力理論的最重大的成果”,“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物,他在1916年寫了一本通俗介紹相對論的書《狹義與廣義相對論淺說》,到1922年已經再版了40次,還被譯成了十幾種文字,廣為流傳。

責任編輯:

Reference:大中國

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