简述相对论发展史:从伽利略到引力波( 二 )


爱因斯坦突破的一个关键方面是洛伦兹变换 , 为了简单说明 , 他也举了一个例子 。 在火车地板和天花板各有一个镜子 , 光线在其中来回反射 。 对于火车中的人来说 , 他们观察到光是竖直的;但是对于地面人员来说 , 他们观察到光是锯齿形的 。 由于光速相对于两个观察者来说是相同的 , 但由于光的轨迹在他们看来是不同的 , 因此他们会经历不同的相对论效应 , 例如尺缩效应、时间膨胀等 。
对于低速运动来说 , 这种区别非常小 , 难以产生可测量的差异 。 但当物体的速度越来越接近光速时 , 这种效应就会增强 。 此外 , 爱因斯坦还推导出了只能方程 , 在这个等式中质量和能量是可以相互转换的 。
SR的另一个结果是 , 它将空间和时间解释为同一现实的两种表达 。 牛顿物理学把空间和时间看作是分开的和固定的 , 而爱因斯坦提出了一个由三维空间和一维时间组成的四维几何 。
广义相对论在1905年到1915年之间 , 爱因斯坦试图通过扩展SR来解释引力 , 这在很大程度上是由于牛顿的万有引力所产生的理论问题 。 此前 , 天文学家发现牛顿的方程可以解释当时已知的大多数太阳天体的轨道 。 然而 , 水星的轨道呈现出牛顿方程无法解释的长期特性 。 除了有一个高度偏心的轨道 , 水星的近日点也随着时间的推移围绕太阳运动 , 这被称为“近日点进动” 。
1915年11月 , 爱因斯坦向德国柏林的普鲁士科学院提交了他的场方程 。 这些方程说明了时空的四维几何如何受到引力场和辐射的影响 。 用约翰·惠勒的话说 , “时空告诉物质如何运动 , 物质告诉时空如何弯曲 。 ”由此 , 爱因斯坦的广义相对论(GR)正式诞生 , 并很快成为我们现代物理学理解的基础 。
爱因斯坦的广义相对论成功解决了水星近日点进动的问题 , 并且还有几个重要的理论预测 , 其中光线弯曲在1919年得到了验证 。
爱丁顿实验爱丁顿实验寻找在日食期间经过太阳背后的恒星 。 如果爱因斯坦的理论是正确的 , 那么来自这些恒星的光将会沿着由太阳引力引起的时空曲率轨迹运动 。 对观测者来说 , 这种效应会让它们看起来就像恒星本身就在太阳旁边 。 由于太阳光被月球有效地遮挡住了 , 所以他们的仪器就可以看到这些光线了 。
科研团队不仅看到了这些恒星 , 而且它们在夜空中的位置与爱因斯坦场方程预测的位置完全一致 。 这个故事立刻被世界各地的报纸转载并刊登在头版 , 使爱因斯坦和广义相对论轰动一时!然而 , 这只是众多测试和预测中的一个 。
宇宙膨胀1917年 , 爱因斯坦试图用GR创建一个宇宙结构的模型 。 令他沮丧的是 , 他发现在宇宙尺度上 , 他的场方程预测宇宙要么处于膨胀状态 , 要么处于收缩状态 。 为了防止星系团和宇宙的大尺度结构自身坍缩 , 需要有某种东西在最大尺度上抵消引力 。 由于他更喜欢永恒不变的宇宙 , 爱因斯坦引入了一个新的概念 。
这就是所谓的宇宙常数 , 用场方程中的数学符号Lambda来表示 。 他大胆地说 , 这种力负责“抑制引力” , 并确保宇宙的物质能量密度随时间保持不变 。 这样做 , 爱因斯坦发现自己陷入了稳态假说和宇宙大爆炸理论之间的争论中 。
1922年 , 俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼用数学方法展示了爱因斯坦的场方程是如何与动态宇宙相一致的(弗里德曼方程) 。 紧随其后 , 在1927年 , 比利时天体物理学家乔治·勒梅特证明GR和膨胀的宇宙符合天文观测 , 特别是美国天文学家埃德温·哈勃的观测 。
1931年 , 爱因斯坦在威尔逊山天文台拜访了哈勃 , 在那里他目睹了星系是如何从银河系中退去的 。 作为对哈勃展示给他的东西的回应 , 爱因斯坦正式宣布将从他的理论中去掉宇宙常数 , 并声称这是“我职业生涯中最大的错误” 。 然而 , 整个20世纪90年代的观测表明 , 宇宙膨胀正在加速 , 这使得天体物理学家推断 , 有一种神秘的力量抵消了引力 , 我们把这种力量称为暗能量 。
黑洞、引力透镜和引力波1915年 , 就在爱因斯坦公布GR的几个月后 , 德国物理学家兼天文学家卡尔·史瓦西找到了爱因斯坦场方程的一个解 , 该解预测了黑洞的存在 。
GR 预测的另一个影响是引力场如何弯曲和聚焦来自更远光源的光 。 这被称为引力透镜 , 其中一个特别大的物体充当“透镜”来放大它之外(或后面)的光 。
GR的另一个预测是引力对时空的涟漪效应 。 当两个特别大的物体合并并以引力波的形式释放出巨大的能量时 , 这种现象就会发生 。 LIGO天文台于2016年首次确认探测到这些波 , 大约在爱因斯坦首次预测它们的一个世纪之后 。