广义相对论简史

作者: 大大

来源: 原理

发布日期: 2015-11-22

本文详细介绍了爱因斯坦广义相对论的发展历程及其在科学史上的重要性,从牛顿的物理基础到爱因斯坦的最终方程,再到后来的科学验证,展示了广义相对论对现代物理学的深远影响。

100年前的这个月,爱因斯坦在柏林普鲁士科学院发表了四个关于广义相对论的演讲。爱因斯坦致力于发展出一个描述引力的数学方程,他最终的引力方程至今仍然是最有影响力的发现。如果你想举办一个爱因斯坦百年相对论的派队,那么不要错过下个星期三,也就是11月25日!为了响应广义相对论一百周年纪念,原理在这个星期也会推出“百年相对论”专题。

下面列出了广义相对论的发现历程:

1687年,艾萨克·牛顿出版了《自然哲学的数学原理》,奠定了物理运动的数学基础。1855年,西蒙·纽康观测到水星近日点的进动值为每个世纪43秒,这与牛顿万有引力计算的水星进动值存在分歧。1873年,詹姆斯·麦克斯韦出版了《电磁通论》,麦克斯韦的方程统一了电学和磁学。从麦克斯韦方程中可以推论出在空间穿行的电磁波就是光。1879年3月14日,爱因斯坦在德国的乌尔姆小镇出生。

六个星期后全家迁居去慕尼黑,之后他进入了路易博德文理中文就读。1884年,爱因斯坦的父亲送了一个指南针给他,当他发现指南针总是指向固定的方向时,他被现象背后的原理深深地吸引住了。1894年,15岁的爱因斯坦已经掌握了微积分。1895年,爱因斯坦开始思考光的本性。同年,科学家怀疑物理学是否已经走到了尽头。1896年,爱因斯坦进入了瑞士苏黎世联邦理工就读。

1898年,爱因斯坦的老师们不愿意教他关于麦克斯韦的理论,于是他开始翘课自学,阅读当时最伟大科学家的论文。1901年,爱因斯坦的好朋友格罗斯曼为他在专利局找了一份工作。闲暇时间,他开始思考时间、空间和光。1905年,爱因斯坦的奇迹年。他发表了四篇开创性的论文,其中包括了狭义相对论。狭义相对论重新塑造了我们对时空的理解。

1907年,爱因斯坦意识到,如果一个人从房子的屋顶自由下落,他将感受不到自身的重量。他开始思考引力和加速度是否是等效的,也就是等效原理。等效原理是他最快乐的思想。1913年,爱因斯坦和格罗斯曼合作发表了一篇关于引力理论的论文,他们称该理论为:Entwurf理论。1915年,大卫·希尔伯特出席了爱因斯坦在哥廷根的讲座,第一次听到了有关广义相对论的概念,并开始构建自己的想法。

1915年10月,爱因斯坦发现了Entwurf理论的缺陷。1915年11月4日,爱因斯坦宣布自己和格罗斯曼犯的错误已经被解决。他几乎完成了广义相对论。1915年11月13日,大卫·希尔伯特给爱因斯坦寄去了他的论文,说他已经完成了广义相对论,并邀请爱因斯坦去哥廷根讨论。不过爱因斯坦拒绝了。1915年11月18日,爱因斯坦用他的引力新方程成功地解释了纽康在1855年观测到的水星进动值的异常。

1915年11月20日,大卫·希尔伯特提交了自己的广义相对论论文。掀起了一场关于谁先发明广义相对论的争论。1915年11月25日,爱因斯坦向普鲁士科学院上交了广义相对论最后的版本,包括了爱因斯坦场方程的最后形式。1916年3月1日,大卫·希尔伯特的广义相对论发表。不过希尔伯特坦然地承认广义相对论这一伟大的思想应归功于爱因斯坦。

1919年,英国天文学家爱丁顿率领一个观测团队在5月29日一次日全食中,验证了当遥远的恒星发出的光经过太阳的时候会发生偏折。这是广义相对论预言的引力偏折效应。1922年11月9日,爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖,表彰他在光电效应做出的贡献。1955年4月18日,爱因斯坦在新泽西普林斯顿的医院与世长眠,他最后说道:“通过人为的手段延长生命毫无乐趣。我该做的都做了,是时候走了,我会优雅地离开。

”爱因斯坦享年76岁。1959年11月1日,哈佛物理学家验证了广义相对论的另一个预言,一个大质量物体可以“拉长”光,即引力场中的红移效应。1968年5月27日,科学家通过发射雷达信号并途经太阳,证实了广义相对论的另一个预言:引力场中的时间延缓效应,或称为夏皮罗时间延缓效应。

1969年7月20日,阿波罗计划在月球的几个区域分别放置了一些反射器,科学家可以通过发射镭射在地月之间来回检测月球的运动,所有的数据都符合广义相对论。1976年6月18日,NASA发射了重力探测器A测量时间的流逝,证实了在引力场的作用下时间流逝的比较慢。也就是说,始终在地球轨道上走到要比在地球表面上快。完全符合爱因斯坦的预言。

2004年4月20日,NASA发射了重力探测器B测量地球周围的时空曲率,最后实验结果于2011年发布。该任务证实了当地球自转的时候的确拖曳了时空,这是广义相对论的另一个预言。2016年,法国的MICROSCOPE任务,计划在2016年初发射,届时将测量物体在空间中“下落“的有多快。这将是广义相对论的一个强有力证明。

2018年,激光干涉引力波观测站(LIGO)应该已经拥有足够的灵敏度可以探测到百万光年外传来的时空的涟漪——引力波。

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