爱因斯坦及其广义相对论

爱因斯坦及其广义相对论

摘要：爱因斯坦创立了相对论，对物理学发展和人类思想的发展产生了深远影响。其中广义相对论把相对论原理推广到非惯性参考系和弯曲空间，建立了新的引力理论，为科学地研究宇宙结构开辟了道路。本文在介绍爱因斯坦对现代宇宙论重要贡献的同时，详细介绍了广义相对论的理论和该理论为人类带来的深远影响。

关键词：爱因斯坦广义相对论时空弯曲

广义相对论是1916年由爱因斯坦独立提出的科学史上的一大杰出理论。它引用了高深数学的张量及黎曼几何，重新诠释了引力的概念，描述了一个完全不同的宇宙。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论简单的公式中，从相对论里人们发现了时间旅行、宇宙的起源和终结和黑洞等奇妙现象。

爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。他的基础理论深刻地影响着社会进步，甚至当代各类重要的消费产品在技术上也是依据爱因斯坦的理论。如光效应理论为太阳能电池、光电探测器奠定了基础,射线受激辐射是激光器的理论基础,相对论则为GPS全球卫星导航系统提供所需的修正。

一、爱因斯坦完成了人类科学史上的一座丰碑

爱因斯坦在瑞士苏黎世联邦理工学院读了四年师范的物理及数学。在大学里，他精读了基尔霍夫、玻尔兹曼、洛伦兹、麦克斯韦等世界著名物理学家的主要著作，这些书籍对他影响颇深。爱因斯坦对光线及以太非常好奇，在大学时，他设计了一个实验，用抽气机抽空一玻璃瓶。他认为，当瓶内的空气及以太都被抽光后，因为没有以太传播光，玻璃瓶就会变成不透明的。他用的瓶子很薄，以免光线从瓶子的玻璃中绕道而走，连续抽了几天，玻璃瓶还是透明的。直到有一天，薄瓶子突然因高真空而炸掉了，爱因斯坦几乎因此受伤，但这次经历并没有打消掉他对物理和数学的热情。

毕业后不久，爱因斯坦从事瑞士伯尔尼专利局公务员工作，这期间，他和一些对物理、数学感兴趣的朋友，成立了一个科学讨论会。他们定期在会员家中开读书会，讨论物理、数学及哲学问题。他的很多论文都是在这段时期完成的。

1905年对爱因斯坦而言是奇迹的一年。在这一年里，爱因斯坦完成了博士论文，并发表了5篇震惊世界的论文,其中4篇论文最为重要。第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,解释了光的本质,这使他在1921年荣获了诺贝尔物理学奖。第二篇《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》提供了原子确实存在的证明。第三篇是30页的《论动体的电动力学》提出时空关系新理论,被称为“狭义相对论”，它改变了整个世界。第四篇是仅有3页的《物体的惯性与它的能量值有关吗？》。在这篇文章中，他得出了人类历史上最著名的公式：。爱因斯坦的文章里充满了美妙和新奇的构想，很快就获得了

权威人士的承认。然而，在狭义相对论得到认可后不久，爱因斯坦就撇开当时在这个研究领域的热门课题，将狭义相对论推广到包括万有引力与加速度的系统中。这是一条漫长而孤独的道路，需要付出无数的耐心和精力。爱因斯坦几乎是孤军奋战，直到1916年，他在德国物理期刊上发表了广义相对论。从1905年到1916年，仅11年的时间，他彻底地改变了时间与空间、运动和能量间的关系，独立完成了人类科学史上的一座丰碑，成就了科学上难以言表的神话。

二、广义相对论的理论及其带来的重大发现

（一）广义相对论的理论

牛顿理论认为天体在引力的作用下发生运动。这种力没有时间损耗地在宇宙中扩散。空间是固定不变的，时间在任何地方都是均匀地流逝着。爱因斯坦的引力理论与旧的牛顿理论有本质的区别。在爱因斯坦的理论中引力是一种场。每一个物质集合体，从原子到星体，都会使空间围绕自己发生弯曲，弯曲的强度随物体的质量增加而增加，随距离增加而减小。若将空间想象成一块绷得很紧的橡胶布，拿来一个铁球放在上面滚动，在它周围就会形成一个凹陷，这块凹陷就相当于空间的弯曲，它与铁球一起运动，

在空间发生强烈弯曲的地方，时间会比在空间近乎平直的地方流逝得慢，比如在像地球这样大质量的物体附近，时间会显得流逝得慢一些，这是广义相对论的一个预言，这一预言在1962年由两位意大利物理学家证实。在广义相对论中，物体总是沿着四维时空的直线走。比如地球并非像我们所知道的那样，是由于“引力”使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的轨迹运动，在三维空间中看起来是沿着一个椭圆在运动。广义相对论的空间弯曲的理论并不好理解，爱因斯坦通过一个天文学问题表明了他的理论优于牛顿的理论。在行星轨道计算上，广义相对论预言的行星轨道几乎和牛顿引力理论所预言的完全一致。然而，在水星近日点进动问题的解释上，爱因斯坦的相对论占了上风。人们在1915年前就观察到，水星的近日点围绕太阳大约每1万年有1度的进动，但却一直没有得到解释。爱因斯坦用广义相对论方程计算水星轨道时，对其近日点的进动做出了合理的解释。

广义相对论理论还预言，由于太阳的质量非常大，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。这表明，从远处恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被折弯很小的角度，对于地球上的观察者而言，这恒星显得是位于不同的位置。1919年英国天文物理学家爱丁顿在皇家学会和皇家天文学会宣布了考察结果，证实了这个预言的准确性。90年代初，法国天文学家小组的测量表明：在精密度为千分之三的范围内，整个天空范围内大约10万颗星的位置的测量结果与广义相对论的预言一致。

（二）广义相对论带来的重大影响

关于时间旅行。狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢。假定将来的某个时候，人们能够制造一艘以接近于光速飞行的宇宙飞船，一定意义上的时间旅行就

变成可能了。如果飞船以近光速从地球出发向遥远的星系飞去，来回的旅程仅仅十几年(按飞船上的时间)，但在此期间地球上却过去了几十万年，人类已经发生了天翻地覆的变化，似乎时间旅行也没什么意义了。

但是，广义相对论表明，时空是弯曲的。我们可以在地球与遥远的星系之间撑开一个虫洞，像一个超空间管道，让我们在短时间内到达遥远的星系。然后当我们返回时，虫洞的奇异性质让我们年轻了很多。

关于宇宙大爆炸理论。1917年，爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型，但他发现，在这样一个只有引力作用的模型中，宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在他的方程里额外增加了宇宙常数，它表示的是一种斥力，用以抵消引力作用的力。然而，爱因斯坦很快发现自己错了。1929年，哈勃发现所有星系都在远离我们而去，这表明宇宙正在不断膨胀。从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。

著名物理学家伽莫夫把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来，逐渐形成了大爆炸宇宙理论体系。根据大爆炸宇宙论，极早期的宇宙是由微观粒子构成的均匀气体，且以很大的速率膨胀着。伽莫夫作出了一个预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中。1964年，美国两位年轻的工程师发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射，称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。

黑洞是1967年由美国物理学家惠勒命名的。1916年德国物理学家卡尔用广义相对论理论证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强大挤压会使天体的密度无限增大，然后产生灾难性坍塌，时空会变得无限弯曲，在这样的时空中，光信号无法逃逸，这个时空与外面的时空分割成两个性质不同的区域。当时人们不能相信存在这种怪物，爱因斯坦也说过，他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。一直到20世纪30年代，美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”。1939年，美国物理学家奥本海默进一步证明，一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时，其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围。随后，关于黑洞的理论变得成熟起来，到20世纪60年代，人们已普遍接受黑洞的概念。现代黑洞理论表明，在黑洞中心，全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点，这就是所谓的“奇点”状态。

参考文献：

[1]Thomas Bührke.《》Munich/Germany：Deutscher taschenbuch verlag gmbh，1998

[2]Stephen hawking .《A brief history of time》.New York:Bantam Books,1988