廣義相對(duì)論概述
相對(duì)論問世，人們看到的結(jié)論就是：四維彎曲時(shí)空，有限無邊宇宙，引力波，引力透鏡，大爆炸宇宙學(xué)說，以及二十一世紀(jì)的主旋律--黑洞等等。這一切來的都太突然，讓人們覺得相對(duì)論神秘莫測(cè)，因此在相對(duì)論問世頭幾年，一些人揚(yáng)言"全世界只有十二個(gè)人懂相對(duì)論"。甚至有人說"全世界只有兩個(gè)半人懂相對(duì)論"。更有甚者將相對(duì)論與"通靈術(shù)"，"招魂術(shù)"之類相提并論。其實(shí)相對(duì)論并不神秘，它是最腳踏實(shí)地的理論，是經(jīng)歷了千百次實(shí)踐檢驗(yàn)的真理，更不是高不可攀的。相對(duì)論應(yīng)用的幾何學(xué)并不是普通的歐幾里得幾何，而是黎曼幾何。相信很多人都知道非歐幾何，它分為羅氏幾何與黎氏幾何兩種。黎曼從更高的角度統(tǒng)一了三種幾何，稱為黎曼幾何。在非歐幾何里，有很多奇怪的結(jié)論。三角形內(nèi)角和不是180度，圓周率也不是3。14等等。因此在剛出臺(tái)時(shí)，倍受嘲諷，被認(rèn)為是最無用的理論。直到在球面幾何中發(fā)現(xiàn)了它的應(yīng)用才受到重視?？臻g如果不存在物質(zhì)，時(shí)空是平直的，用歐氏幾何就足夠了。比如在狹義相對(duì)論中應(yīng)用的，就是四維偽歐幾里得空間。加一個(gè)偽字是因?yàn)闀r(shí)間坐標(biāo)前面還有個(gè)虛數(shù)單位i。當(dāng)空間存在物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)與時(shí)空相互作用，使時(shí)空發(fā)生了彎曲，這是就要用非歐幾何。相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，發(fā)現(xiàn)了引力場(chǎng)與引力波都是以光速傳播的，否定了萬有引力定律的超距作用。當(dāng)光線由恒星發(fā)出，遇到大質(zhì)量天體，光線會(huì)重新匯聚，也就是說，我們可以觀測(cè)到被天體擋住的恒星。一般情況下，看到的是個(gè)環(huán)，被稱為愛因斯坦環(huán)。愛因斯坦將場(chǎng)方程應(yīng)用到宇宙時(shí)，發(fā)現(xiàn)宇宙不是穩(wěn)定的，它要么膨脹要么收縮。當(dāng)時(shí)宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙是無限的，靜止的，恒星也是無限的。于是他不惜修改場(chǎng)方程，加入了一個(gè)宇宙項(xiàng)，得到一個(gè)穩(wěn)定解，提出有限無邊宇宙模型。不久哈勃發(fā)現(xiàn)著名的哈勃定律，提出了宇宙膨脹學(xué)說。愛因斯坦為此后悔不已，放棄了宇宙項(xiàng)，稱這是他一生最大的錯(cuò)誤。在以后的研究中，物理學(xué)家們驚奇的發(fā)現(xiàn)，宇宙何止是在膨脹，簡(jiǎn)直是在爆炸。極早期的宇宙分布在極小的尺度內(nèi)，宇宙學(xué)家們需要研究粒子物理的內(nèi)容來提出更全面的宇宙演化模型，而粒子物理學(xué)家需要宇宙學(xué)家們的觀測(cè)結(jié)果和理論來豐富和發(fā)展粒子物理。這樣，物理學(xué)中研究最大和最小的兩個(gè)目前最活躍的分支：粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)竟這樣相互結(jié)合起來。就像高中物理序言中說的那樣，如同一頭怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是，雖然愛因斯坦的靜態(tài)宇宙被拋棄了，但它的有限無邊宇宙模型卻是宇宙未來三種可能的命運(yùn)之一，而且是最有希望的。近年來宇宙項(xiàng)又被重新重視起來了。黑洞問題將在今后的文章中討論。黑洞與大爆炸雖然是相對(duì)論的預(yù)言，它們的內(nèi)容卻已經(jīng)超出了相對(duì)論的限制，與量子力學(xué)，熱力學(xué)結(jié)合的相當(dāng)緊密。今后的理論有希望在這里找到突破口。
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