【正文】 廣義相對論簡介 授課教師： 范忠輝 參考書目 ? 《 廣義相對論引論 》 (俞允強 ) ? 《 廣義相對論 》 (劉遼 ) ? 《 引力論與宇宙論 》 (溫伯格 ) ? 《 廣義相對論和宇宙學(xué) 》 (王永久 ) ? 《 廣義相對論 》 (狄拉克 dirac) ? 《 愛因斯坦文集 》 （第 1卷 第 3卷） ? 《 引力與時空 》 (瓦尼安 [美 ]amp。魯菲尼 [意 ]) ? 科普書 《 黑洞 》 (約翰 皮爾 盧米涅 [法 ]) ? 科普書 《 宇宙的琴弦 》 (格林 [美 ]) ? 科普書 《 超越時空：通過平行宇宙、時間卷曲和第十維度的科學(xué)之旅 》 (加來道雄 ) ? 科普書 《 平行宇宙 》 (加來道雄 ) 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 2 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 3 當(dāng)我還是一個相當(dāng)早熟的少年的時候，我就已經(jīng)深切地意識到， 大多數(shù)人終生無休止地追逐的那些希望和努力都是毫無希望的 。而且，我不久就發(fā)現(xiàn)了這種追逐的殘酷，這在當(dāng)年較之今天是更加精心地用偽善和漂亮的字句掩飾著的。每個人只是因為有個胃，就注定要參與這種追逐。而且，由于參與這種追逐，他的胃是有可能得到滿足的；但是， 一個有思想、有感情的人卻不能由此而得到滿足。 這樣，第一條出路就是宗教，它通過傳統(tǒng)的教育機關(guān)灌輸給每一個兒童。因此，盡管我是完全沒有宗教信仰的雙親的兒子，我還是深深地信仰宗教，但是，這種信仰在我 12歲那年就突然中止了。由于讀了通俗的科學(xué)書籍，我很快就相信， 《 圣經(jīng) 》 里的故事有許多不可能是真實的。其結(jié)果就是一種真正狂熱的自由思想，并且交織著這樣一種印象：國家是故意用謊言來欺騙年青人的；這是一種令人目瞪口呆的印象。 這種經(jīng)驗引起我對所有權(quán)威的懷疑 ，對任何社會環(huán)境里都會存在的信念完全抱一種懷疑態(tài)度，這種態(tài)度再也沒有離開過我，即使在后來，由于更好地搞清楚了因果關(guān)系，它已失去了原有的尖銳性時也是如此。 象我這種類型的人，其發(fā)展的轉(zhuǎn)折點在于， 自己的主要興趣逐漸遠(yuǎn)遠(yuǎn)地擺脫了短暫的和僅僅作為個人的方面，而轉(zhuǎn)向力求從思想上去掌握事物 。 －－ 摘自：“愛因斯坦文集第一卷” 《 自述 》 阿爾伯特 愛因斯坦 （ Albert Einstein， ），舉世聞名的德裔美國科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。 1999年 12月 26日，愛因斯坦被美國 《 時代 》 周刊評選為“世紀(jì)偉人”。 第一章 緒論 一 .引言 ? 廣義相對論的預(yù)言和檢驗 ? 廣義相對論的應(yīng)用簡介 二 .狹義相對論簡介 三 .廣義相對論的物理基礎(chǔ) ? 等效原理和廣義相對性原理 ? 廣義相對論的空間和時間 四 .對相對性原理的考查 五 .“超越愛因斯坦”計劃 2022/3/13 4 廣義相對論 _緒論 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 5 1905年，一個人類文明史上極其特別的年份。 1905年，一個人類應(yīng)該用黃金來書寫的年份。 1905年，又是一個充滿了奇跡的年份。 這一切，是因為一個名叫愛因斯坦的公務(wù)員在德國 《 物理學(xué)年鑒 》 上發(fā)表了 5篇論文，帶來了物理學(xué)最偉大的革命，推倒了一座乍看固若金湯實乃風(fēng)雨飄搖的金碧大廈，開啟了物理學(xué)新的紀(jì)元。 這一年，愛因斯坦在分子運動理論、量子力學(xué)和相對論上作出了開創(chuàng)性的工作，締造了一個“愛因斯坦奇跡年”。 這一年，和三個世紀(jì)前牛頓那個 1666奇跡年相媲美，是人類歷史上光芒閃耀的一筆。 第一篇 《 分子大小的新測定 》 （ A new determination of molecular dimensions ）是申請?zhí)K黎世大學(xué)博士學(xué)位的論文。愛因斯坦把經(jīng)典的流體動力學(xué)技巧和擴散理論想結(jié)合，創(chuàng)造了一種測定分子大小和阿伏伽德羅常量的新方法。后來，這篇博士論文也成為了他被引用最頻繁的論文之一。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 6 《 熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動 》 （ On the Motion—Required by the Molecular Kiic Theory of Heat—of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid） 解釋了布朗運動（ Brownian motion）。 布朗運動是蘇格蘭植物學(xué)家布朗于 1827年在用顯微鏡觀察浸泡在水中的花粉時發(fā)現(xiàn)的，這些小花粉在水中做無規(guī)則的運動。當(dāng)時人們還在爭論物質(zhì)是否由分子或原子組成，愛因斯坦就敏銳地指出，布朗運動中的花粉正是由于受到水分子的隨機碰撞才做這種無規(guī)則運動的，以此作為證明分子存在的證據(jù)，對分子運動理論做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 《 關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點 》 （ On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light） 提出了光量子，完美地解釋了使當(dāng)時的經(jīng)典物理學(xué)陷入進(jìn)退維谷的境地的光電效應(yīng)實驗，成為量子力學(xué)的先驅(qū)之一。 接下來是 《 論動體的電動力學(xué) 》 （ On the Electrodynamics of Moving Bodies）， 解決了經(jīng)典物理學(xué)面臨的危機，將以太丟進(jìn)歷史的垃圾桶，提出了狹義相對論，下面我們將細(xì)細(xì)說來。這是一篇沒有參考文獻(xiàn)的論文，在末尾愛因斯坦只對他的同事和好友貝索（ Michele Besso） 表示感謝。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 7 《 物質(zhì)的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？ 》 （ Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?） 作為對 《 論動體的電動力學(xué) 》 的補充，僅僅只有三頁紙，卻是歷史上最為短小精悍的論文之一，其中給出了大名鼎鼎的公式 ——E=mc2！ 時至今日，這條公式甚至已經(jīng)成為愛因斯坦和相對論的代名詞。 將這 5篇劃時代的論文編纂成集的主編約翰 施塔赫爾這樣概括了它們的意義： “努力擴展和完善經(jīng)典力學(xué)傳統(tǒng)；努力擴展和完善麥克斯韋電動力學(xué)并修正經(jīng)典力學(xué)使之與它一致；論證經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)的有效性都是有限的，并試圖理解這些理論不能說明的現(xiàn)象。”（參見約翰 施塔赫爾 主編，范岱年 許良英 譯， 《 愛因斯坦奇跡年 ——改變物理學(xué)面貌的五篇論文 》 導(dǎo)言，上海：上?？萍冀逃霭嫔?， 2022） 正是這五篇論文，改變了 20世紀(jì)物理學(xué)的面貌，并深刻地影響了人類的命運至今。愛因斯坦也正是憑借它們推倒了牛頓大樓和麥克斯韋大樓的那條天梯，最終使得經(jīng)典物理學(xué)大廈轟然倒塌，化為廢墟。 為了紀(jì)念愛因斯坦，為了紀(jì)念這個充滿神奇色彩的 1905年，國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會（ the International Union of Pure and Applied Physics，常簡寫為 IUPAP）和聯(lián)合國將一百年后的 2022年定為世界物理年（ World Year of Physics 2022），并舉行了一系列的活動，其中包括“物理照亮世界”的全球性光速傳遞活動。緬懷偉人，繼承遺志。 1915年 11月提出廣義相對論引力方程的完整形式 ， 并且成功地解釋了水星近日點運動 。 （ 格羅斯曼 ） 1916年 3月完成總結(jié)性論文 《 廣義相對論的基礎(chǔ) 》 。 5月提出宇宙空間有限無界的假說 。 8月寫作 《 狹義和廣義相對論淺說 》 。 1919年 9月獲悉英國天文學(xué)家觀察日食的結(jié)果 ， 11月 6日消息公布后 ，全世界為之轟動 。 由此 ， 愛因斯坦的理論被視為 “ 人類思想史中最偉大的成就之一 ” 。 2022/3/13 8 廣義相對論 _緒論 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 9 楊振寧：他是一位孤獨的科學(xué)家 對基礎(chǔ)物理學(xué)來說， 20世紀(jì)是最偉大的世紀(jì)，它見證了物理學(xué)三個概念性的革命， 愛因斯坦個人創(chuàng)建了其中的兩個理論，并對第三個理論做出了奠基性的貢獻(xiàn) 。在愛因斯坦 1905年提出相對論前，荷蘭物理學(xué)家 洛倫茨 和法國數(shù)學(xué)家 龐加萊 已經(jīng)在相對論這個方向上做了大量工作。洛倫茨提出了相對論的數(shù)學(xué)公式，卻未能懂得其物理意義；龐加萊最初提出相對論的概念，有了哲學(xué)的觀念，也未能懂其物理意義。真正懂得相對論意義的卻是 26歲的專利局小職員愛因斯坦。愛因斯坦的相對論革命化地改變了 時間與空間、運動與能量間的關(guān)系 ，澄清了麥克斯韋方程，將對稱性概念引入基礎(chǔ)物理學(xué)。 愛因斯坦在 1916年獨立提出的廣義相對論概念是一個妙不可言、席卷整個人類的物理觀念的大發(fā)現(xiàn)，它對 宇宙學(xué)、量子力學(xué)、幾何學(xué)和統(tǒng)一場論 都產(chǎn)生了重大的影響，所有這些影響都持續(xù)到 21世紀(jì)。 對于 20世紀(jì)物理學(xué)的第三場革命 —— 量子力學(xué)，愛因斯坦有特殊的貢獻(xiàn)，他在很大程度上促進(jìn)了量子力學(xué)解釋的清晰和完善。愛因斯坦在 1925年提出的 玻色 — 愛因斯坦凝聚 是現(xiàn)代物理學(xué)最熱鬧的題目，并將對未來產(chǎn)生巨大影響。 愛因斯坦有關(guān)統(tǒng)一場論的工作并不太成功，但他是如此沉迷于統(tǒng)一場論，這種沉迷將持續(xù)對 21世紀(jì)的理論物理學(xué)產(chǎn)生巨大影響，他的思想還將統(tǒng)治基礎(chǔ)物理學(xué)的前沿。 楊振寧認(rèn)為，愛因斯坦不僅 改變了我們對空間、時間、運動、能量、光和力的基本概念 ，他獨特的性格將持續(xù)激發(fā)一代代的學(xué)者： 他是一位孤獨的思想家，無所畏懼、獨立、具有創(chuàng)造性，并且倔強。 2022,北京 ,“世界物理年紀(jì)念大會” 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 10 一 . 相對論及其推廣： １．狹義相對論－－第一篇論文是 1905年 6月的 《 論動體的電動力學(xué) 》 ，這是Einstein青年時代多年探