什么是广义相对论

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相对论一直是一个让学习物理竞赛的同学们头疼的领域,因为其专业性太过强,所以很多同学都无从下手。我们目前接触的其实更多的还是狭义相对论,至于广义相对论,我们接触的还是很少,所以质心教育的小编为大家带来一份关于广义相对论的介绍,希望大家在空余时间学习一下,在今后的物理竞赛学习中会有帮助

什么是广义相对论

爱因斯坦在建立了狭义相对论之后取得了巨大的成功,也成功解释了迈克尔孙-莫雷实验,摒弃了以太论,建立了一个新的时空观。

狭义相对论最大的贡献在于:

1、认为时间和空间是一个整体,建立了四维时空;

2、认为能量和动量是一个整体,建立了四维动量。

但是众所周知,狭义相对论还是不完善的。比如说,狭义相对论导致惯性系无法被定义,因为我们不可能通过一个实验同时来判断一个物体是不是处于一个惯性系中和受不受力;还有,狭义相对论无法囊括万有引力,这在当时只发现电磁力和万有引力的时代来说是相当危险的,准确来说是严重的困难和无比的遗憾。

电磁力

关于惯性系无法定义的问题,我在这里着多点笔墨,这牵扯到后面要提的广义相对论:

我们知道,狭义相对论是建立在惯性系上的,但是狭义相对论同时造成了惯性系无法被定义。牛顿认为,存在一个绝对空间,所有相对于绝对空间静止和做匀速直线运动的参考系都是惯性系。而爱因斯坦认为不存在绝对空间,于是用牛顿定义惯性系的方法显然无效了。

那怎么办?否定掉了一个解释必须得找出替代的说法是不?于是就有人提出,把惯性系定义为,不受力的物体能在其中保持静止或者匀速直线运动状态的参考系,即把牛顿第一定律(惯性定律)视为惯性系的定义。

但是,这么一来,你如何去判断一个物体到底受力不受力呢?于是又有人说,物体在惯性系中,能保持静止或匀速直线运动状态的就是不受力。

这下我们可以发现,关于惯性系的定义我们已经陷入了一个逻辑循环:定义“惯性系”要用到“不受力”,定义“不受力”又要回头用到“惯性系”,这下问题可大了,物理学上是不允许有这样的情况发生的。

怎么办?怎么解决这个问题?同时还有万有引力的问题如何解释?爱因斯坦说,让我想想吧。于是,一想就足足想了十年!——1916年广义相对论发表。那么爱因斯坦是如何解决这两大困难的呢?

爱因斯坦在想,既然我惯性系无法定义,那么干嘛我还要用它呢?干嘛还非得惯性系不惯性系的呢?我直接把惯性系这个扔了,把狭义相对论的观点结论推广到非惯性系中也能成立不就行了嘛?也就是说把原来的相对性原理“物理规律在一切的惯性系中都相同”推广为“物理规律在一切的参考系中都相同”,这样就不需要再去定义惯性系的问题了可以把这个讨厌的问题撇开了不是吗?妙,这招妙,用不着的或者是没法用的就直接扔了,伟人就是伟人!

相对论

话虽是这么说,但是这样就导致了一个问题:惯性力的问题没法处理。惯性系跟非惯性系的区别就是非惯性系中存在一个惯性力。在经典物理学中,牛顿认为所有的惯性力都起源于物体相对于绝对空间的加速,只有相对于绝对空间的加速才是真的加速,才产生惯性力。惯性力的特点之一就是没有反作用力,也就是说惯性力与真实的力不同,它不起源于相互作用。现在都不要惯性系了,那非惯性系里头存在的惯性力,怎么解决这个问题呢?

伟大的爱因斯坦就想,惯性力有一个重要的特点,即惯性力与物体的惯性质量成正比,这个特点跟万有引力特别相似,会不会两者的本质是一样的呢?另外,爱因斯坦又发现牛顿力学中引力质量和惯性质量精确相等的事实,同时又想起自己钦佩的哲学家马赫也认为根本不存在绝对空间,也不存在绝对运动,一切的运动都是相对的,惯性起源于物体间的相互作用!这下爱因斯坦立刻意识到,狭义相对论遇到的两个困难,实际上是一个困难!

于是,到了这里爱因斯坦非常地激动,并提出了非常有名的等效原理,且有了非常著名的“电梯思想实验”,被后人称为“爱因斯坦升降机思想实验”。

空间

等效原理是爱因斯坦对“引力质量与惯性质量相等”的一个推广,即惯性场与引力场等效,也就是说引力与惯性力等效。等效原理分为弱等效原理和强等效原理。它们之间的严格说法分别是:

弱等效原理:引力场和惯性场的力学效应是局域不可区分的。

强等效原理:引力场和惯性场的一切物理效应都是局域不可区分的。

(所谓的局域就是指四维时空中一点的无穷小领域。)

强等效原理涵盖了弱等效原理,可以看作是弱等效原理的一个推广。等效原理告诉我们,在无穷小的时空范围内,人们无法区分引力场和惯性场。

下面我们来说说电梯实验:

设想一个观察者处于一个封闭的升降机内,得不到升降机外部的任何信息。当他看到机内一切物体都自由下落,下落加速度a与物体质量的大小及物质组成无关时(此时,他自己也感受到重力ma,m是他自身的引力质量),他无法判断自己处在下列两种情况中的哪一种:

(1)、升降机静止在一个引力场强为a的星球表面;

(2)、升降机在无引力场的太空中以加速度a运动。

当观察者感到自己和升降机内的一切物体都处于失重状态时,他同样无法断定自己处于下面两种情况的哪一种:

(1)、升降机在引力场中自由下落;

(2)、升降机在无引力场的太空中做惯性运动。

造成这些现象的原因,在于我们无法使用任何的物理实验来区分引力场和惯性场。

爱因斯坦升降机思想实验

换个说法,也就是你在一个以加速度为g上升的电梯里称得的体重跟你在地球表面称得的体重体重计的示数相等。同样,假设我把你密封在一个箱子里,你无法从外界获取任何的信息,然后我用起重机把你的箱子以加速度g拉高,你在箱子里头无法判断你是在空中运动的还是你一直处于地面静止不动。

到这里,我们必须清楚的是,真正严格的惯性系是根本不存在的,也就是说在物理学中根本不可能定义严格的惯性系。

我们前面也说了,狭义相对论把时间和空间联系成四维时空整体,把能量和动量联系成四维动量整体,但是并没有指出四维时空和四维动量之间到底有什么样的关系。于是,爱因斯坦在他的广义相对论中进一步指出:能量-动量的存在(即物质的存在),会使四维的时空发生弯曲!同时指出万有引力并不是真正的力,而是时空弯曲的表现!如果物质消失,时空就会回到平直的状态!

换句话说,爱因斯坦说:物质告诉时空怎么弯曲,而时空弯曲告诉物质怎么运动!时空曲率=能量动量!

到这里,我们必须记住的是,伟大的爱因斯坦先生已经把光速不变原理和相对性原理推广到了一切的参考系中,忿管它是不是惯性系,惯性系这个概念已经在爱因斯坦大脑的字典中删除了!

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