广义相对论入门

广义相对论简单入门
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦断定惯性系之间的物理定律应当完全相同以及真空中的光速和观测者的速度无关。

这些是狭义相对论的基础，狭义相对论提出了物理学的新框架同时提出了关于时间和空间的新概念。

之后爱因斯坦花费了十年时间尝试把狭义相对论推广到加速系，最终他发表了广义相对论。

广义相对论提出，大质量的物体会引起时空的畸变，它自身也会感受到引力。

引力的拖拽
两个物体会感受到对方给自己的吸引，这就是我们知道的引力。

艾萨克·牛顿建立了运动三定律并量化了两个物体之间引力的大小。

两个物体之间的引力大小取决于两者各自的质量以及他们之间的距离。

当地心将你向它拖拽，你也在拉拽地球。

但是引力对质量较大的物体拖拽不明显，你自身较小的质量使你觉得自身被牢牢固定在地面。

不过牛顿假设引力是一种可以作用一段距离的物体所固有的力。

阿尔伯特·爱因斯在狭义相对论中断定物理定律在所有惯性系中都是一样的；无论观测者以什么速度运行，他测到的真空中光速都是一样的。

事实上，他发现时间和空间可以相互交织在一起形成连续的时空。

某一观察者眼中同时发生的事情在其他观察者眼中可能发生在不同时刻。

质量使时空发生弯曲来源：wikipedia
当爱因斯坦得到了广义性对论的公式时，他意识到质量巨大的物体可以令时空发生弯曲。

可以想象在蹦床的中心放置一个巨大的物体。

这个物体会把布面往下压使得它的表面出
现凹陷。

在蹦床边缘滚动的球体就会向着中心的物体螺旋运动，就像引力在太空中吸引着行星周围的石块。

实验证据
尽管实验装置不能直接看到或者测量到时空，但是时空弯曲所预言的许多现象已经被观察到。

引力透镜：在质量巨大的物体周围，光线会发生弯曲。

对于它后面的物体来说，这个物体就像是巨大的透镜一样。

天文学家一般利用这种办法研究超大物体背后的恒星和星系。

爱因斯坦十字来源：wikipedia
爱因斯坦十字是位于飞马星座的类星体，它是引力透镜的典型例子。

这个类星体距离地球大概80亿光年，它位于一个星系后方大约4亿光年处。

在这个星系周围有类星体的四个像，因为星系强大的引力场使类星体发出的光线在传播过程中发生弯曲。

引力透镜使得科学家可以看到一些非常酷的现象：超新星爆发之后，因为光线穿过引力透镜的时候沿着不同的路径，每一条不同的路径会花费不同的时间，因此在经过星系的引力场放大之后，科学家可以观测到四次超新星爆发。

水星运行轨道的改变：由于太阳巨大的质量引起的时空曲率，水星的轨道随着时间在逐步改变。

在几十亿年之后，它甚至有可能和地球相撞。

旋转物体引起参考系拖拽：巨大物体，如地球的旋转会使它周围的时空发生弯曲和扭曲。

2004年，NASA发射Gravity Probe B。

这颗精确较准过的卫星发现其内部的陀螺仪随着时间的改变会发生微小的偏移，这和爱因斯坦的理论并不矛盾。

“想象地球好像是浸在蜂蜜里，”Francis Everitt说。

“当行星在旋转时，他旁边的蜂蜜开始打旋，在时空中也是这样的情况。

GP-B证实了爱因斯坦理论的两个重要预言，对天文物理的研究具有深远的影响”
引力红移：电磁波在引力场中发生红移。

考虑汽笛发出的声波，当汽笛朝着观察者运动时，声波被压缩，但是当汽笛朝着远离观察者的方向行驶，声波表现出红移，这就是多普勒效应，同样的现象也会发生在光波身上。

美国的Robert Pound 和Glen Rebka 测量了哈佛大学杰弗逊物理实验室的塔顶和塔底的两个辐射源的相对红移，确切地验证了引力红移的存在。

通过这个试验，他们精确测定了光从塔顶传输到塔底过程中能量的微小变化。

引力波：宇宙中猛烈爆发的事件例如两个黑洞的碰撞，被认为可以产生时空的涟漪，也就是引力波。

2016年，LIGO声称发现了引力波存在的证据。

2014年，科学家声称他们利用美国的BICEP2望远镜探测到了宇宙大爆炸时期遗留下的引力波。

然而，更进一步的研究表明他们的数据受到观测方向上的尘埃的影响。

“寻找早期宇宙的奇特记录既困难又令人兴奋。

”Jan Tauberr说。

LIGO在2015年9月14日首次发现引力波存在的确凿证据。

一组实验设备，分别位于路易斯安那和华盛顿，实验设备在引力波到达之前被建造、升级和校准。

第一次的探测非常繁杂，它花费了科研团队几个月的时间去分析这些数据以分辨这是真实的信号还是仅仅是一个故障所引起的。

“我们的第一次探测非常幸运，因为它是如此明显。

”Jan在2016年的天文学会议上说。

第二个信号在同年12月26号被探测到，第三个疑似引力波的信号随后被探测到。

前两个信号极有可能是引力波存在的证据，第三个信号却有可能不是引力波。

两次毋庸置疑的探测结果提供了一对黑洞相互吸引、碰撞的证据。

随着时间的流逝，Gonzalez期待有更多的引力波信号被LIGO和其他装置探测到。

“我们可以检验广义相对论，并且广义相对论通过了检验”Gonzalez说。