弯曲的时空——广义相对论
爱学习物理的小猫2019-05-15 12:18
上一篇文章简单的讲述了狭义相对论，这篇文章主要讲述一下广义相对论，讲到广义相对论大家第一印象应该是这个弯曲的时空，时间和空间是弯曲的，和我们以前所学习的牛顿经典物理完全不是一个概念了。那我们就简单介绍一下广义相对论，此文主要是以简单了解为主，并不是以研究为主，所以会有一些贴近生活的例子，但是不一定很恰当的例子，不喜勿喷。广义相对论是对狭义相对论的补充，1905年爱因斯坦提出了相对论解决了很多问题，但是它的局限性马上就显现出来了，不能很好的去描述引力的产生原因。为了结局狭义相对论遗留下来的问题，爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，解释了引力产生的原因和一些物理现象，至此爱因斯坦的相对论就完成了，广义相对论是以狭义相对论为基础的，如果狭义相对论的假设给推翻了，那么整个相对论体系就会给推翻了。
广义相对论和我们经典物理最大的不同是对引力的概念，经典力学中把引力看成是一种力，而广义相对论则认为引力不是一种力而是一种时空弯曲的表现而已。在了解广义相对论前必须要弄清楚一个概念——质量，在经典物理中质量是物体所含物质的多少，表现出来的是引力质量，而广义相对论中的质量叫做惯性质量，指的是物体抵抗加速的能力，比如我们推火车很难推得动，推购物车却很容易推得动，那是因为我们要给火车加速推动时，火车质量大，它抵抗加速的能力就越强，推动购物车加速时，购物车质量小，它抵抗加速的能力就越弱。
等效原理在牛顿时代牛顿早就发现了惯性质量和引力质量是两个不同的概念，但是当时他无法做出解释，而且他证实了在千分之一的范围内，惯性质量就是引力质量。爱因斯坦在这个基础上提出了等效原理，也就是说两个人分别关在不同的密闭的空间里面，一个在地球，一个在加速度是g的向上飞的飞船上，他们都放开手中的苹果，那么苹果都会往下掉，给他们的感觉是他们都在地球上，苹果往下掉的加速度都是g，这两个人完全不能判断他们到底是在地球上还是在飞船上，这个就是等效原理，这个就很好的解释了惯性质量等于引力质量了。
经典物理学上我们认为时空是绝对的，时间是流逝的，不可回流的。但是爱因斯坦把时空统一起来了，认为我们人生活在四维时间，长宽高和时间一共有四个维度，再结合黎曼几何提出了时空其实就是弯曲的，它就像一张大网，如果一个有质量的物体在时空这张大网上时就会出现上图所示的运动，就像是行星绕日运动一样。
水星绕太阳运动并不是固定不变的椭圆爱因斯坦发表广义相对论时提出了三个能验证广义相对论实验：一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。水星进动. 水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅四千六百万千米，远日点却有7 千万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行，称为水星进动。水星是距太阳最近的一颗行星，按牛顿的理论，它的运行轨道应当是一个封闭的椭圆。实际上水星的轨道，每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动，称为进动。经过观察得到水星进动的速率为每百年1°33′20〃，而天体力学家根据牛顿引力理论计算，水星进动的速率为每百年1°32′37〃。两者之差为每百年43〃，这已在观测精度不容许忽视的范围了。爱因斯坦的广义相对论推算出来的完美的符合了观测的实际差值，完美解释了水星近日点的进动问题。
光线弯曲1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿（A.S.FEddington）等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛（Principe）和巴西的索布腊儿尔（Sobral）两地观测。经过比较，两地的观测结果分别为1″.61±0″.30和1″.98±0″.12。把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较，基本相符。这种观测精度太低，而且还会受到其他因素的干扰。人们一直在找日全食以外的可能。20世纪60年代发展起来的射电天文学带来了希望。用射电望远镜发现了类星射电源。1974年和1975年对类星体观测的结果，理论和观测值的偏差不超过百分之一，第二个实验也得到了验证。第三个是引力红移效应，在大天体附近的时空弯曲的应该很厉害，那么时间也会变慢，那么氢原子的震荡周期也会变短，波长变长，频率变大就会出现红移现象，1971年，海菲勒（J.C.Hafele）和凯丁（R.E.Keating）用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中有一台置于地面作为参考钟，另外几台由民航机携带登空，在1万米高空沿赤道环绕地球飞行。实验结果与理论预期值在10%内相符。1980年魏索特（R.F.C.Vessot）等人用氢原子钟做实验。他们把氢原子钟用火箭发射至一万公里太空，得到的结果与理论值相差只有±7×10-5。
引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观测者与遥远的观测天体之间还存在有一个大质量天体，当观测天体的质量和相对距离合适时观测者会看到多个扭曲的天体成像，这种效应被称作引力透镜[92]。受系统结构、尺寸和质量分布的影响，成像可以是多个，甚至可以形成被称作爱因斯坦环的圆环，或者圆环的一部分弧[93]。最早的引力透镜效应是在1979年发现的[94]，至今已经发现了超过一百个引力透镜[95]。即使这些成像彼此非常接近以至于无法分辨——这种情形被称作微引力透镜——这种效应仍然可通过观测总光强变化测量到，很多微引力透镜也已经被发现。还有引力波、黑洞的发现等等诸多试验都验证了相对论的正确性，其实爱因斯坦的广义相对论中很重要的是爱因斯坦场方程，我们感兴趣的回到过去和穿越未来时光机器估计就藏在里面了。下一篇文章主要讲解爱因斯坦场方程。简单的语言讲解简单的物理知识，喜欢物理学的小伙伴可以关注我，一起探究这个神奇的世界。
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