【文章內(nèi)容簡介】 義相對(duì)論的一次勝利”，這一理論將引力描述為時(shí)間與空間幾何體系中的屬性之一。他指出，這一研究成果有助于排除有關(guān)宇宙加速度的一些不合理解釋，同時(shí)讓研究人員能夠更進(jìn)一步地了解暗能量。 星系團(tuán)在幾十億年間生長的圖表 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 20 最新時(shí)空觀測結(jié)果證實(shí)愛因斯坦相對(duì)論合理性 北京時(shí)間 2022年 10月 29日消息，據(jù)美國太空網(wǎng)報(bào)道，美國航天局“費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡”在一年來的觀測中，發(fā)現(xiàn)了最新的高能光線，從而證明了愛因斯坦關(guān)于光速理論的正確性。 費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡是去年才發(fā)射升空的最新天文望遠(yuǎn)鏡，致力于探尋宇宙中最劇烈的大爆炸所產(chǎn)生的伽馬射線。最新的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家能夠看到實(shí)驗(yàn)室中無法復(fù)制的高能光線的作用，從而能幫助科學(xué)家更清晰地研究愛因斯坦的相對(duì)論。 這臺(tái)世界上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡是通過高能伽瑪射線觀察宇宙，最初這個(gè)天文臺(tái)被稱作“伽瑪射線廣域空間望遠(yuǎn)鏡” (Gammaray Large Area Space Telescope)，但是當(dāng)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡建成后開始正常運(yùn)行時(shí)，又被重新命名字為“費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡”。 選擇這一名稱是為了紀(jì)念高能物理學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)者、美籍意大利裔諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者恩里科 費(fèi)米（ 1901～ 1954）。費(fèi)米是第一位對(duì)宇宙粒子如何被加速到高速做出推測的科學(xué)家，他的理論為認(rèn)識(shí)“費(fèi)米”望遠(yuǎn)鏡所要揭示的新現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們希望“費(fèi)米”能通過觀測高能伽瑪射線來發(fā)現(xiàn)眾多新的脈沖星，揭示超大質(zhì)量黑洞的內(nèi)部機(jī)理，并有助于物理學(xué)家尋找新的自然定律。 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 21 它捕獲了超過 1000個(gè)離散伽瑪射線（能量最高的光線）源。這些成果的完成是一種衡量，給人們提供了關(guān)于空間和時(shí)間（在愛因斯坦的理論中統(tǒng)一為時(shí)空）根本結(jié)構(gòu)的稀有實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 費(fèi)米大視場望遠(yuǎn)鏡（ LAT）的首席研究員、加州帕洛阿爾托（ Palo Alto）斯坦福大學(xué)的彼得 米切爾森（ Peter Michelson）說：“物理學(xué)家希望，能把愛因斯坦在相對(duì)論中表達(dá)出來的引力觀用處理所有基本作用力的某種東西替代。理論很多，但檢驗(yàn)方法卻很少。” 許多新的引力理論將時(shí)空描繪成漂移的泡沫結(jié)構(gòu)，其物理尺度相當(dāng)于電子的萬億分之一。有些模型預(yù)言，時(shí)空的泡沫會(huì)使得高能伽瑪射線光子的運(yùn)動(dòng)速度比低能光子慢得多。 這樣的模型違背了愛因斯坦的斷言，也就是所有的電磁輻射，包括射電波、紅外線、可見光、 X射線和伽瑪射線，在真空中都以同樣的速度傳播。 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 22 在這張圖中，一個(gè)光子（紫色）攜帶的能量是另一個(gè)（黃色）的 100萬倍。一些理論家預(yù)言，高能光子的傳播存在延遲，原因是它們會(huì)與時(shí)空理論中的泡沫結(jié)構(gòu)發(fā)生更強(qiáng)的相互作用。而費(fèi)米對(duì)同一伽瑪射線暴中兩個(gè)光子的觀測數(shù)據(jù)沒有表現(xiàn)出這一點(diǎn)，因此就排除了某些新的引力理論。 下面的動(dòng)畫展示了科學(xué)家根據(jù)新理論預(yù)期觀測到的時(shí)間延遲 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 23 2022年 5月 10日，費(fèi)米與其他衛(wèi)星探測到了一個(gè)所謂的短伽瑪暴，爆發(fā)名為 GRB 090510。天文學(xué)家認(rèn)為，這樣的爆發(fā)是在雙中子星碰撞時(shí)產(chǎn)生的。地面研究表明，這個(gè)爆發(fā)發(fā)生在 73億光年外的一個(gè)星系中。在費(fèi)米 LAT在這次持續(xù) 量光子中，有兩個(gè)能量差異 100萬倍。而在傳播了 70億光年后，這對(duì)光子到達(dá)時(shí)間差只有 。 米切爾森說：“那些預(yù)言光速強(qiáng)烈依賴于能量的新引力理論被這一測量排除了。這兩個(gè)光子在百萬萬億分之一的精度上以同樣的速度傳播。愛因斯坦仍舊占據(jù)主導(dǎo)?！? 在太空中，只有部分伽瑪射線來自于伽瑪暴。當(dāng)帶電的宇宙線轟擊星際中的氣體時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線，宇宙線轟擊產(chǎn)生的高能光子使得銀河系的平面產(chǎn)生一個(gè)伽瑪射線亮帶。另外，脈沖星和活動(dòng)星系的中心也會(huì)輻射伽瑪射線。人們期待，充滿宇宙間的暗物質(zhì)粒子相互湮滅時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生高能光子即伽瑪射線。 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 24 美科學(xué)家以萬倍精度驗(yàn)證愛因斯坦相對(duì)論 北京時(shí)間 2022年 2月 24日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，一支由著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主朱棣文等人組成的美國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)近期驗(yàn)證了愛因斯坦相對(duì)論關(guān)于時(shí)間流逝的精確性，他們通過驗(yàn)證得出的精確度比以前提高了 10000倍。 在愛因斯坦相對(duì)論中，描述了關(guān)于重力對(duì)時(shí)間流逝的影響。理論認(rèn)為，時(shí)間流逝的速度依賴于你所處的位置。距離重力源越遠(yuǎn)，時(shí)鐘運(yùn)轉(zhuǎn)的越快；反之，越靠近重力源，時(shí)鐘運(yùn)轉(zhuǎn)的越慢。 一百年來，科學(xué)家們進(jìn)行了各種試驗(yàn)對(duì)愛因斯坦相對(duì)論進(jìn)行了論證和研究。1976年，科學(xué)家們?cè)?jīng)利用火箭將一個(gè)原子鐘送到距離地面 10000千米的高空，共用了 115分鐘。他們發(fā)現(xiàn)，火箭上的原子鐘所測量出的時(shí)間比地面上的原子鐘所測量的時(shí)間要長。 現(xiàn)在，美國科學(xué)家則更進(jìn)一步，他們以比以前精確 10000倍的精確度驗(yàn)證了愛因斯坦的時(shí)間相對(duì)論。研究團(tuán)隊(duì)成員還包括了著名的華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國現(xiàn)任能源部長朱棣文，他們的研究成果發(fā)表于 《 自然 》 雜志上。 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 25 科學(xué)家們利用一個(gè)其中包含三束激光的激光陷阱來射擊銫原子波，使其像噴泉一樣上下起伏。這種波被用作超高速時(shí)鐘，振蕩速度接近每秒 10^24(10的24次方 )次。科學(xué)家們所采用的技術(shù)實(shí)際上調(diào)用了一個(gè)奇怪但真實(shí)的量子力學(xué)現(xiàn)象，即原子可以被同時(shí)刺激成兩種狀態(tài)。在其中一種狀態(tài)中，原子會(huì)被激光脈沖推移大約 1毫米的十分之一，這樣它就會(huì)與地球的重力場遠(yuǎn)離一點(diǎn)點(diǎn)。而在另外一種狀態(tài)中，原子仍然保持不動(dòng)。瞬間后，第二束激光束再將這些被推移的原子送到下方，然后將保持不動(dòng)的原子送到上方。接著，第三束激光束繼續(xù)將同一個(gè)原子再生為兩種狀態(tài)?？茖W(xué)家們的目標(biāo)就是測量在這些狀態(tài)中原子波的能量振蕩差異。 在 ，這些波共額外振蕩了大約 100萬次。換句話說，重心引力的稍微減弱，引起了時(shí)間多流逝一點(diǎn)。美國加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校助理教授霍爾格 穆勒認(rèn)為，這一數(shù)字是正確的。穆勒介紹說，“如果自由落體的時(shí)間延長到宇宙的年齡 140億年的話，那么上下路線之間的時(shí)間差異將只有百分之一秒，而測量的精確度將達(dá)到 60微微秒?！? 穆勒認(rèn)為，這一結(jié)果將有力地支持愛因斯坦的理論。他表示，“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了重力確實(shí)在改變時(shí)間的流逝速度，這也是廣義相對(duì)論的基本概念?！边@項(xiàng)研究也對(duì)實(shí)踐應(yīng)用有很大的幫助，比如，衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以發(fā)出更精確的同步信號(hào)，衛(wèi)星導(dǎo)航儀用戶在定位自己的位置時(shí)精確度可達(dá)到毫米級(jí)。當(dāng)然，這種精確度也很容易受到影響。哪怕衛(wèi)星的高度出現(xiàn)僅僅一米的變化時(shí)，就可能會(huì)破壞這種精確度。 廣義相對(duì)論的應(yīng)用 ? 按照廣義相對(duì)論，在局部慣性系內(nèi)，不存在引力，一維時(shí)間和三維空間組成四維平坦的歐幾里得空間；在任意參考系內(nèi)，存在引力，引力引起時(shí)空彎曲，因而時(shí)空是四維彎曲的非歐黎曼空間。愛因斯坦找到了物質(zhì)分布影響時(shí)空幾何的引力場方程。時(shí)間空間的彎曲結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)能量密度、動(dòng)量密度在時(shí)間空間中的分布，而時(shí)間空間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運(yùn)動(dòng)軌道。在引力不強(qiáng)、時(shí)間空間彎曲很小情況下，廣義相對(duì)論的預(yù)言同牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的預(yù)言趨于一致；而引力較強(qiáng)、時(shí)間空間彎曲較大情況下，兩者有區(qū)別。廣義相對(duì)論提出以來，預(yù)言了水星近日點(diǎn)反常進(jìn)動(dòng)、光頻引力紅移、光線引力偏折以及雷達(dá)回波延遲，都被天文觀測或?qū)嶒?yàn)所證實(shí)。近年來，關(guān)于脈沖雙星的觀測也提供了有關(guān)廣義相對(duì)論預(yù)言存在引力波的有力證據(jù)。 ? 廣義相對(duì)論由于它被令人驚嘆地證實(shí)以及其理論上的優(yōu)美，很快得到人們的承認(rèn)和贊賞。然而由于牛頓引力理論對(duì)于絕大部分引力現(xiàn)象已經(jīng)足夠精確，廣義相對(duì)論只提供了一個(gè)極小的修正，人們?cè)趯?shí)用上并不需要它，因此，廣義相對(duì)論建立以后的半個(gè)世紀(jì)，并沒有受到充分重視，也沒有得到迅速發(fā)展。到 20世紀(jì) 60年代，情況發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)引力天體（中子星）和 3K宇宙背景輻射，使廣義相對(duì)論的研究蓬勃發(fā)展起來。廣義相對(duì)論對(duì)于研究天體結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。 中子星 的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測、引力輻射理論和引力波探測、大爆炸宇宙學(xué)、量子引力 以及 大尺度時(shí)空的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 等問題的研究正在深入，廣義相對(duì)論成為物理研究的重要理論基礎(chǔ)。 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 26 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 27 主要應(yīng)用于高速狀態(tài)、微觀世界和宇觀世界的愛因斯坦相對(duì)論似乎離我們的日常生活很遙遠(yuǎn)，其實(shí)不然，它也有實(shí)用價(jià)值，一個(gè)著名的例子是 全球定位系統(tǒng)（ GPS） 。在十幾年前， GPS還是高尖端的東西，而現(xiàn)在它已進(jìn)入了普通人家，只要花幾百塊錢給車輛裝一個(gè) GPS導(dǎo)航儀，或花一、兩千塊錢買一個(gè)帶 GPS的手機(jī)，就可以隨時(shí)知道自己在地球上的準(zhǔn)確位置。 GPS是靠美國空軍發(fā)射的 24顆 GPS衛(wèi)星來定位的（此外還有幾顆備用衛(wèi)星），每顆衛(wèi)星上都攜帶著原子鐘，它們計(jì)時(shí)極為準(zhǔn)確，誤差不超過十萬億分之一，即每天的誤差不超過 10納秒（ 1納秒等于 10億分之一秒），并不停地發(fā)射無線電信號(hào)報(bào)告時(shí)間和軌道位置。這些 GPS衛(wèi)星在空中的位置是精心安排好的，任何時(shí)候在地球上的任何地點(diǎn)至少都能見到其中的 4顆。 GPS導(dǎo)航儀通過比較從 4顆 GPS衛(wèi)星發(fā)射來的時(shí)間信號(hào)的差異，計(jì)算出所在的位置。 GPS衛(wèi)星以每小時(shí) 14000千米的速度繞地球飛行。根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，運(yùn)動(dòng)速度越快，時(shí)間就越慢。因此在地球上看 GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比較慢，用狹義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天慢大約 7微秒。 廣義相對(duì)論的實(shí)際應(yīng)用 2022/3/13 廣義相對(duì)論 _緒論 28 GPS衛(wèi)星位于距離地面大約 2萬千米的太空中。根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)質(zhì)量的存在會(huì)造成時(shí)空的彎曲，質(zhì)量越大，距離越近，就彎曲得越厲害，時(shí)間則會(huì)越慢。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時(shí)空要比 GPS衛(wèi)星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看， GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘就要走得比較快，用廣義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天快大約 45微秒。 在同時(shí)考慮了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論后，