廣義相對論有什麼故事?

時間 2021-06-03 02:29:30

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愛因斯坦是如何提出廣義相對論的呢?在提出狹義相對論的時候,愛因斯坦雖然知道了麥可遜的實驗,但是他的出發點並不是以太不存在。提出狹義相對論之後,愛因斯坦回憶過,他在 16 歲的時候就想過乙個思想實驗。

這個思想實驗是這樣的:假如你跟著光跑,你會看到什麼呢?當然,後來愛因斯坦發現,你是永遠追不上光的,因為光在任何慣性參考係中的速度都一樣。

提出狹義相對論之後,愛因斯坦開始思考的問題是,既然狹義相對論假定了伽裡略相對性原理,那麼,萬有引力該怎麼辦?這是他發現廣義相對論的開端。

可能你會問,萬有引力這個問題和伽裡略相對性原理有什麼關係?我們回顧一下伽裡略相對性原理:任何慣性參考係都是等價的,也就是說,在任何慣性參考係中,所有物理學定律都不變。

狹義相對論解決了電磁理論問題,我們說了,只要兩個慣性參考係中的時間和空間按照洛侖茲變換來聯絡,那麼,麥克斯韋的電磁理論在兩個慣性參考係中都成立。

可是,牛頓的萬有引力定律看上去是個瞬時相互作用,什麼意思呢?就是乙個物體在乙個時刻感受到另乙個物體對它的萬有引力,和兩個物體在那個時刻的距離有關。很明顯,這種定律在狹義相對論中不可能滿足伽裡略相對性原理。

原因很簡單,假如牛頓萬有引力定律在某個慣性參考係中是瞬時相互作用,那麼在另乙個不同的慣性參考係中就不可能是瞬時相互作用,因為在這個新的參考係中,時間完全不同了,因為同時性變了。

這是 1905 年以後,愛因斯坦面對的困境:如何修改牛頓萬有引力定律,使得新的萬有引力定律遵循伽裡略相對性原理。

其實,和愛因斯坦一樣,有幾位物理學家也在思考這個問題,但他們根本沒有找到正確的出路,因為他們總是在狹義相對論中打轉轉。

也就是說,愛因斯坦後來發現的廣義相對論,完全不同於狹義相對論。在廣義相對論中,時間和空間彎曲了,而在狹義相對論中,雖然時間和空間密切相關,但它們沒有彎曲。

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