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《广义相对论的产生与发展_张元仲》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第32卷第4期力学进展V61.32No.42002年11月25日ADVANCESINMECHANICSNov.25,2002广义相对论的产生与发展张元仲,0中国科学院理论物理研究所北京10080摘,要首先简单扼要地评述了相对论〔狭义相对论和广义相对论)的历史背景指出它是物理学:一些物理实验结果与牛顿理论的矛盾;发展的必然结果召唤着新理论的诞生为解决这些矛盾而对牛顿理论所做的大量修补工作为相对论的发现奠定了基础;放弃旧的时空观、提出新的物理学原理使爱因斯坦最终建立了相对论.主要部分是广泛而扼要地介绍并评
2、述相对论的主要结果及其实验检,:、、、、-验以及最新进展它们包括同时性定义光速不变原理与相对性原理时间变慢长度收缩质、、、、速关系一能关系因果律与超光速;爱因斯坦引力场方程质等效原理与广义协变原理测地线方程、广义相对论的线性化理论、引力红移、引力波、光线偏折与引力透镜、行星的近、日点进动雷达回波的延缓、中子星、引力塌缩与黑洞、大爆炸宇宙模型、引力能量问题、奇性定理、黑洞热力学与霍金辐射、量子引力等.关键,,词扶义相对论广义相对论宇宙学l引言,广义相对论[l]是爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论[z]
3、(平直时空理论)之后经过10年的不懈探索最终于1916年成功地建立起来的满足狭义相对论要求的引力理论(弯曲时空理论).这个理论比牛顿万有引力定律和牛顿力学第二定律更为精确地描写了宇宙万物之间的引力相互作用规律;对于引力较弱和物体运动速度较低的情况,牛顿理论才与广义相对论近似一致.或,,者说广义相对论不但能够描写低速运动和弱引力相互作用规律而且也能描写高速运动和强,,;(引力)场现象具体地说广义相对论既解释了牛顿理论所不能完全解释的水星近日点进动而,:、、、且预言了很多新的物理效应例如引力红移光线偏折(
4、引力透镜)雷达回波的时间延缓引力波、中子星、黑洞等等,其中许多预言已被实验或天文观测所证实,另外一些预言已经有了直接的或间接的证据[3,愁,大爆炸宇宙模型是广义相对论对宇宙学的成功应用[s,5】.虽然此外,广义相对论已经被公认为比较精确地描写了引力相互作用规律但是由于它是一种弯曲时空理,.,论因而存在理论本身的固有困难因此物理学家对广义相对论的理论基础、重要预言和理论困难从理论与实验两个方面多年来进行了深入的探索,取得了长足的进展.本文将从狭义相对论和广义相对论的历史讲起,然后概括地展示广义相对论发展
5、的现状.2狭义相对论的建立及重要效应,:1905年以前的实验研究已经显示如下3种类型的实验与牛顿经典物理学相矛盾(l)迈:一一收稿日期20021018495一“”以太;2克尔逊莫雷(转动干涉仪)实验没有观测到地球相对于的运动()运动物体的电磁,,‘还是导体运动;感应现象表现出相对性(是磁体运动其效果一样)(3)电子的盼胜质量随电子运动速度的增加而变大.当时,为了解释这些现象,在牛顿力学的框架内引入了许多假设(包“”,,括罗伦兹长度收缩假说和拉摩时钟变慢假说)得到了与实验结果相符合的各种公式甚至得到了罗
6、伦兹坐标变换.需要强调的是,在所有这些公式之中全都包含真空光速.如果只为解释上面的实验现象,那么上述这些公式和假说就已经足够了.但是这些公式和罗伦兹变换分别来自不同的假说或不同的模型而不是共同出自同一个物理理论.而且,在使用牛顿绝对时空观来对罗伦兹变换以及所含的真空光速进行解释的时候却遇到了概念上的困难.这种不协调的状.,况预示着旧的物理观念即将向新的物理观念转变其实著名的数学家、物理学家彭加勒早在1905年之前就已经意识到真空中的光速可能是个不变的极限速度.但是,根深蒂固的旧物理观念阻止了他进一步追
7、求新的物理学原理光速不变原理.爱因斯坦洞察到解决这一问题的关:—,键在于同时性的定义为了比较不同地点的时间必须事先使不同地点的时钟互相同步(就是通.“”一‘,常所说的对钟)在牛顿伽利略的惯性系(即在其中赓性定律成立的那种坐标系)中时间坐标如何实现在1905年以前并没有人研究过.但是,定义牛顿一伽利略的时间坐标需使用瞬时,传播信号(从一点传播到其它点不需要花费时间)或者把时钟从一点移动到其它点(假定运动对时钟的速率没有影响).然而,在自然界中没有找到瞬时传播的信号,传播最快的是光信号,,,;没有证据显示
8、时钟的速率不受运动的影响而光速是有限的另外相反当时已经有了拉摩的“时钟变慢”假说.这就是说,牛顿时空理论(或伽利略坐标变换)中的时间没有办法在自然界..“”中精确地实现用光信号对钟对于描写高速运动特别是电磁现象本身就会出问题上面提到的与牛顿经典物理学相矛盾的那三种类型的实验涉及的就是电磁现象.所以,爱因斯坦在1905,“年发表的第一篇狭义相对论的论文其题目是《论动体的电动力学》而且在第一节同时性的.”“”定义中就专门论述了为什么和怎么样对钟爱因斯坦之所以
