【正文】 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、量子力學、幾何學和統(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。愛因斯坦在 1925年提出的 玻色 — 愛因斯坦凝聚 是現(xiàn)代物理學最熱鬧的題目，并將對未來產(chǎn)生巨大影響。 楊振寧認為，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。這是一篇引起物理學理論基礎(chǔ)變革的重要文獻。 ２．廣義相對論－－ 1907年， Einstein提出有必要把相對性理論從勻速運動推廣到加速運動，其基礎(chǔ)就是慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量的相當性。 20世紀三十年代以后，他在相對論的運動問題的研究上取得了進展，這就是從場定律推導運動定律。 ３．宇宙學－－ Einstein建成廣義相對論后不久，就試圖用來考查宇宙空間問題， 1917年的論文被認為是宇宙學的開創(chuàng)性文獻。 ４．統(tǒng)一場論－－企圖建立一個既包括引力場又包括電磁場的統(tǒng)一場理論，用以解釋物質(zhì)的基元結(jié)構(gòu)。 愛因斯坦， 20世紀最偉大的物理學家之一，一生中開創(chuàng)了物理學的四個領(lǐng)域：狹義相對論、廣義相對論、宇宙學和統(tǒng)一場論。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 11 二 . 量子論： 自從 1900年普朗克提出量子假說，到 1913年波爾提出原子構(gòu)造假說，這中間十來年，量子論的發(fā)展 Einstein起著主要的推動作用。1906年， Einstein又把量子概念擴充到物體內(nèi)部粒子的振動上去，解決了低溫時固體的比熱同溫度變換的關(guān)系問題。文章所提出的受激輻射理論，是 20世紀六十年代蓬勃發(fā)展起來的激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)。這項工作，促成了電子波的實驗證實，也推動了薛定諤的波動力學的建立。 1902年的 《 熱平衡的運動論和熱力學第二定律 》 和 1903年的 《 熱力學基礎(chǔ)理論 》 兩篇論文，獨立地提出了類似于吉布斯 1901年提出的統(tǒng)計理論，為他以后建立光量子論和固體比熱理論奠定基礎(chǔ)。三年后，佩蘭據(jù)此作出實驗測定，證實了 Einstein的理論預(yù)測。在建立廣義相對論時，愛因斯坦曾提出三種檢驗： 光譜線的引力紅移，水星軌道近地點的進動，以及太陽引起的光線偏折 。 ? 特別是 1919年日全食時，英國天文學家愛丁頓率領(lǐng)的觀測隊證實了星光在經(jīng)過太陽邊緣時確實出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)，而且觀測值與理論預(yù)言值也相符，這在當時曾引起轟動。它證實廣義相對論的預(yù)言是正確的。 ? 除了以上四大驗證外， 1978年泰勒等人通過對一顆射電脈沖雙星（ PSR193＋ 6）軌道周期所作的多年觀測，間接證實了引力波的存在。 ? 近幾年來，由于空間探測技術(shù)的發(fā)展，使人們對廣義相對論的驗證又取得了新的進展。兩個天文學家小組觀測到這樣的顯示信號，即致密天體，例如黑洞與中子星，由于它們的自轉(zhuǎn)能吸引附近的空間與時間圍繞它們一同轉(zhuǎn)動。加州理工學院天體物理學家基普。除了對引力波的直接探測外，框架拖曳也許是最重要的一種效應(yīng)了。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 12 雙脈沖星：檢驗愛因斯坦預(yù)言 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 13 兩顆大質(zhì)量的天體彼此近距離環(huán)繞運行將使空間發(fā)生扭曲，從而擾亂兩者移動的中心軸，最終導致這兩顆天體像陀螺一樣擺動。 雙脈沖星系統(tǒng)，也即兩顆脈沖星緊密聯(lián)系在一起，每一個星體都限制在另一顆的近軌中。每顆脈沖星通過各自磁極向外輻射電磁波。由于脈沖星體積太小，而且與地球距離太遠，因此人類很難直接觀測到他們的方位。在每一圈公轉(zhuǎn)中，當 23毫秒脈沖星運行至，形成天蝕現(xiàn)象。因為 位的改變會影響另一顆脈沖星所輻射的電磁波的線路。但是，愛因斯坦廣義相對論卻預(yù)言天體自轉(zhuǎn)軸也會發(fā)生緩慢運動。 PSR J07373039A/B雙脈沖星系統(tǒng) 愛因斯坦 1916年在他的廣義相對論中預(yù)言：宇宙空間中可能有引力波存在。引力波會對有質(zhì)量的物體產(chǎn)生影響。然而，天文學家們的測量結(jié)果卻顯示出了歪斜的峰值，這意味著出現(xiàn)了相對論效應(yīng)的扭曲。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 14 藝術(shù)家筆下中子星周圍的熱氣體振蕩。 Cackett 引力透鏡 （ gravitational lensing） 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 15 說明 : 這是哈勃望遠鏡 1994年 10月攝下的美麗照片是星系團 0024+1654，其中頗為引人注目的周圍一圈外觀十分相近的藍色念珠狀物體。星系團和團內(nèi)暗物質(zhì)產(chǎn)生的巨大引力場對其后面星系的“引力透鏡”效應(yīng)，產(chǎn)生了該星系的多重扭曲影像。天文學家容易分辨出，在鐘面位置上 9和 10點鐘方向的藍色影像，可能都來自這個正在形成中的奇特星系，甚至星系團中心左方的那團藍色的斑點，可能也是這個星系的幻影。如今，研究人員運用一系列新的獨立證據(jù)已經(jīng)證實這個神秘的排斥力的存在。 美國馬薩諸塞州劍橋市史密森尼天體物理天文臺的天體物理學家阿列克謝 塵埃和氣體被來自附近和遙遠宇宙中的引力緊緊地壓縮在一起，形成巨大的凝結(jié)團。這一研究成果于 12月 16日在新聞發(fā)布會上公布。換句話說，因為暗能量的存在使得星系團很難將遙遠的物質(zhì)吸引過來，宇宙被拉伸了許多。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 19 威赫里寧認為：“我們所看到的是暗能量的一種明顯的效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，暗能量對星系團生長的抑制效應(yīng)的時間與超新星的研究結(jié)果相一致：宇宙膨脹在 55億年前開始加速之前一直在減速。斯伯格聲稱，這兩項研究結(jié)果之間的一致性“是愛因斯坦廣義相對論的一次勝利”，這一理論將引力描述為時間與空間幾何體系中的屬性之一。 星系團在幾十億年間生長的圖表 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 20 最新時空觀測結(jié)果證實愛因斯坦相對論合理性 北京時間 2022年 10月 29日消息，據(jù)美國太空網(wǎng)報道，美國航天局“費米伽馬射線空間望遠鏡”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。最新的發(fā)現(xiàn)令科學家能夠看到實驗室中無法復制的高能光線的作用，從而能幫助科學家更清晰地研究愛因斯坦的相對論。 選擇這一名稱是為了紀念高能物理學領(lǐng)域的先驅(qū)者、美籍意大利裔諾貝爾物理獎獲得者恩里科 費米是第一位對宇宙粒子如何被加速到高速做出推測的科學家，他的理論為認識“費米”望遠鏡所要揭示的新現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 21 它捕獲了超過 1000個離散伽瑪射線（能量最高的光線）源。 費米大視場望遠鏡（ LAT）的首席研究員、加州帕洛阿爾托（ Palo Alto）斯坦福大學的彼得 理論很多，但檢驗方法卻很少。有些模型預(yù)言，時空的泡沫會使得高能伽瑪射線光子的運動速度比低能光子慢得多。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 22 在這張圖中，一個光子（紫色）攜帶的能量是另一個（黃色）的 100萬倍。而費米對同一伽瑪射線暴中兩個光子的觀測數(shù)據(jù)沒有表現(xiàn)出這一點，因此就排除了某些新的引力理論。天文學家認為，這樣的爆發(fā)是在雙中子星碰撞時產(chǎn)生的。在費米 LAT在這次持續(xù) 量光子中，有兩個能量差異 100萬倍。 米切爾森說：“那些預(yù)言光速強烈依賴于能量的新引力理論被這一測量排除了。愛因斯坦仍舊占據(jù)主導。當帶電的宇宙線轟擊星際中的氣體時，也會產(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)生一個伽瑪射線亮帶。人們期待，充滿宇宙間的暗物質(zhì)粒子相互湮滅時同樣會產(chǎn)生高能光子即伽瑪射線。 在愛因斯坦相對論中，描述了關(guān)于重力對時間流逝的影響。距離重力源越遠，時鐘運轉(zhuǎn)的越快；反之，越靠近重力源，時鐘運轉(zhuǎn)的越慢。1976年，科學家們曾經(jīng)利用火箭將一個原子鐘送到距離地面 10000千米的高空，共用了 115分鐘。 現(xiàn)在，美國科學家則更進一步，他們以比以前精確 10000倍的精確度驗證了愛因斯坦的時間相對論。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 25 科學家們利用一個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?？茖W家們所采用的技術(shù)實際上調(diào)用了一個奇怪但真實的量子力學現(xiàn)象，即原子可以被同時刺激成兩種狀態(tài)。而在另外一種狀態(tài)中，原子仍然保持不動。接著，第三束激光束繼續(xù)將同一個原子再生為兩種狀態(tài)。 在 ，這些波共額外振蕩了大約 100萬次。美國加利福尼亞大學伯克萊分校助理教授霍爾格 穆勒認為，這一數(shù)字是正確的?！? 穆勒認為，這一結(jié)果將有力地支持愛因斯坦的理論?！边@項研究也對實踐應(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，衛(wèi)星導航儀用戶在定位自己的位置時精確度可達到毫米級。哪怕衛(wèi)星的高度出現(xiàn)僅僅一米的變化時，就可能會破壞這種精確度。愛因斯坦找到了物質(zhì)分布影響時空幾何的引力場方程。在引力不強、時間空間彎曲很小情況下，廣義相對論的預(yù)言同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的預(yù)言趨于一致；而引力較強、時間空間彎曲較大情況下，兩者有區(qū)別。近年來，關(guān)于脈沖雙星的觀測也提供了有關(guān)廣義相對論預(yù)言存在引力波的有力證據(jù)。然而由于牛頓引力理論對于絕大部分引力現(xiàn)象已經(jīng)足夠精確，廣義相對論只提供了一個極小的修正，人們在實用上并不需要它，因此，廣義相對論建立以后的半個世紀，并沒有受到充分重視，也沒有得到迅速發(fā)展。廣義相對論對于研究天體結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。 2022/3/13 廣義相對論 _緒論 26 2022/3/13 廣義相對論 _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論似乎離我們的日常生活很遙遠，其實不然，它也有實用價值，一個著名的例子是 全球定位系統(tǒng)（ GPS） 。 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，它們計時極為準確，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)射無線電信號報告時間和軌道位置。 GPS導航儀通過比較從 4顆 GPS衛(wèi)星發(fā)射來的時間信號的差異，計算出所在的位置。根據(jù)狹義相對論，當物體運動時，時間會變慢，運動速度越快，時間就越慢。 廣義相對論的實