传统上 じょう ,在 ざい 爱因斯坦提出 ていしゅつ 相 しょう 对论的 てき 初期 しょき ,人 にん 们以所 しょ 讨论的 てき 问题是 ぜ 否 いや 涉 わたる 及非惯性参考 さんこう 系 けい 来 らい 作 さく 为狭义与广义相 しょう 对论分 ぶん 类的标志。随 ずい 着 ぎ 相 しょう 对论理 り 论的发展,这种分 ぶん 类方法 ほう 越来 ごえく 越 えつ 显出其缺点 てん ——参考 さんこう 系 けい 是 ぜ 跟观察者有 ゆう 关的,以这样一个相对的物理对象来划分物理理论,被 ひ 认为不能 ふのう 反映 はんえい 问题的 てき 本 ほん 质。目前 もくぜん 一般 いっぱん 认为,狭 せま 义与广义相 しょう 对论的 てき 区 く 别在于所讨论的 てき 问题是 ぜ 否 いや 涉 わたる 及引力 いんりょく (弯曲时空),即 そく 狭 せま 义相对论只 ただ 涉 わたる 及那些没有 ゆう 引力 いんりょく 作用 さよう 或 ある 者 もの 引力 いんりょく 作用 さよう 可 か 以忽略 りゃく 的 てき 所有 しょゆう 物理 ぶつり 現象 げんしょう ,而广义相对论则是讨论有 ゆう 引力 いんりょく 作用 さよう 时的物理 ぶつり 学 がく 。用 よう 相 しょう 对论的 てき 语言来 らい 说,就是狭 せま 义相对论的 てき 背景 はいけい 时空是 ぜ 平 たいら 直 ただし 的 てき ,即 そく 四维平凡流形配以闵氏度规,其曲 きょく 率 りつ 张量 为零,又 また 称 たたえ 闵氏时空 ;而广义相对论的 てき 背景 はいけい 时空则是弯曲的 てき ,其曲率 りつ 张量不 ふ 为零。
阿 おもね 爾 しか 伯 はく 特 とく ·愛 あい 因 いん 斯坦在 ざい 他 た 1905年 ねん 的 てき 论文《论动体 たい 的 てき 电动力学 りきがく 》中 ちゅう 介 かい 绍了狭 せま 义相对论 。
狭 せま 义相对论建立 こんりゅう 在 ざい 下 した 列 れつ 的 てき 两个矛盾 むじゅん 的 てき 古典 こてん 力學 りきがく 的 てき 假設 かせつ 上 じょう :
狭 せま 义相对性原理 げんり (狭 せま 义协变性原理 げんり ):一切 いっさい 的 てき 慣性 かんせい 參考 さんこう 系 けい 都 みやこ 是 ただし 平 ひら 权的,即 そく 物理 ぶつり 规律的 てき 形式 けいしき 在任 ざいにん 何 なん 的 てき 惯性参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう 是 ぜ 相 しょう 同 どう 的 てき 。这意味 いみ 着 ぎ 物理 ぶつり 规律 对于一 いち 位 い 静止 せいし 在 ざい 实验室 しつ 裡 うら 的 てき 观察者 しゃ 和 わ 一个相对于实验室高速匀速运动着的电子 是 ぜ 相 しょう 同 どう 的 てき 。
光速 こうそく 不 ふ 变原理 げんり :真空 しんくう 中 なか 的 てき 光速 こうそく 在任 ざいにん 何 なん 参考 さんこう 系 けい 下 か 是 ぜ 恒 つね 定 てい 不 ふ 变的,这用几何语言可 か 以表述 じゅつ 为光子 こうし 在 ざい 时空中 ちゅう 的 てき 世界 せかい 线总是 ぜ 类光的 てき 。也正是 ぜ 由 よし 于光子 こうし 有 ゆう 这样的 てき 实验性 せい 质,在国 ざいこく 际单位 い 制 せい 中 ちゅう 使用 しよう 了 りょう “光 ひかり 在 ざい 真空 しんくう 中 ちゅう 1/299,792,458秒 びょう 内所 ないしょ 走 はし 过的距离”来 らい 定 てい 义长度 ど 单位“米 べい ”(米 べい )。光速 こうそく 不 ふ 变原理 げんり 是 ぜ 宇宙 うちゅう 时空对称性 せい 的 てき 体 からだ 现。(中 ちゅう 微 ほろ 子 こ 的 てき 超 ちょう 光速 こうそく 现象实验已 やめ 被 ひ 证明有 ゆう 误,无法推翻相 しょう 对论[ 1] 。)
由 よし 此產生 せい 的 てき 理論 りろん 比 ひ 古典 こてん 力學 りきがく 更 さら 能 のう 應 おう 付 づけ 實驗 じっけん 。
例 れい 如,假設 かせつ 2解釋 かいしゃく 了 りょう 邁克生 せい -莫雷實驗 じっけん 的 てき 結果 けっか 。
此外,該理論 ろん 具有 ぐゆう 許多 きょた 令 れい 人 じん 驚 おどろき 訝 いぶか 發現 はつげん 。其中一 いち 些是:
同時 どうじ 性 せい 之 の 相對 そうたい 性 せい :發生 はっせい 在 ざい 空間 くうかん 中 ちゅう 不同 ふどう 位置 いち 的 てき 兩個 りゃんこ 事件 じけん ,它們的 てき 同時 どうじ 性 せい 並 なみ 不 ふ 具有 ぐゆう 絕對 ぜったい 的 てき 意義 いぎ ,我 わが 們沒辦法肯定 こうてい 地 ち 說 せつ 它們是 ぜ 否 ひ 為 ため 同時 どうじ 發生 はっせい 。若 わか 在 ざい 某 ぼう 一參考系中此兩事件是同時的,則 のり 在 ざい 另一相對於原參考系等速運動的新參考系中,此兩事件 じけん 將 はた 不 ふ 再 さい 同時 どうじ (唯 ただ 一 いち 的 てき 例 れい 外為 がいため 新 しん 參考 さんこう 系 けい 的 てき 移動 いどう 方向 ほうこう 恰好 かっこう 垂直 すいちょく 於兩事件 じけん 空間 くうかん 位置 いち 的 てき 連 れん 線 せん 方向 ほうこう )。
時間 じかん 膨脹 ぼうちょう :所有 しょゆう 相對 そうたい 於一個慣性系統移動的時鐘都會走得較慢,而這一 いち 效 こう 應 おう 已 やめ 由 ゆかり 勞 ろう 侖茲變換 へんかん 精確 せいかく 地 ち 描述出來 でき 。
光速 こうそく 不變 ふへん 原理 げんり :不 ふ 管 かん 是 ぜ 物理 ぶつり 物體 ぶったい ,還 かえ 是 ぜ 訊息或 ある 是 ぜ 場 ば 線 せん 的 てき 傳播 でんぱ 速度 そくど 都 と 不能 ふのう 超過 ちょうか 真 ま 空中 くうちゅう 的 てき 光速 こうそく 。
加速度 かそくど 尺 じゃく :影 かげ 响物体 ぶったい 运动快 かい 慢(加速度 かそくど 的 てき 不同 ふどう )的 てき 本 ほん 质是光速 こうそく 不 ふ 变下的 てき 位 い 移 うつり 长度协变错觉,即 そく 加速度 かそくど 为衡量 りょう 物体 ぶったい 尺度 しゃくど 的 てき 刻 こく 度 ど 单位的 てき 量 りょう ,加速度 かそくど 的 てき 不同 ふどう 为物体 ぶったい 衡量刻 こく 度 ど 尺 じゃく 单位的 てき 变换(也同时能够说明 あきら 伽 とぎ 利 り 略 りゃく 变换是 これ 洛 らく 伦兹变换的 てき 洛 らく 伦兹因子 いんし 等 とう 于1时的一 いち 个特例 れい )。
質 しつ 能 のう 等價 とうか :E = mc 2 ,能 のう 量 りょう 和 わ 質量 しつりょう 是 ぜ 等價 とうか 的 てき 並 なみ 且可以互換 ごかん 。為 ため 靜止 せいし 質量 しつりょう 完全 かんぜん 轉 てん 為 ため 能 のう 量 りょう 。
狹義 きょうぎ 相對 そうたい 論 ろん 中 ちゅう 的 てき 質量 しつりょう :一 いち 個 こ 物體 ぶったい 所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 總 そう 能 のう 量 りょう 。
狹義 きょうぎ 相對 そうたい 論 ろん 的 てき 定義 ていぎ 是 ぜ 用 よう 勞 ろう 侖茲變換 へんかん 代替 だいたい 了 りょう 古典 こてん 力學 りきがく 的 てき 伽 とぎ 利 り 略 りゃく 變換 へんかん 。(見 み 馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 的 てき 電磁 でんじ )。
爱因斯坦 在 ざい 1915年 ねん 左右 さゆう 发表的 てき 一系列论文中给出了广义相对论最初的形式。他 た 首 くび 先 さき 注意 ちゅうい 到 いた 了 りょう 被 ひ 称 しょう 之 の 为(弱 じゃく )等 とう 效 こう 原理 げんり 的 てき 实验事 ごと 实:引力 いんりょく 质量与 あずか 惯性质量 是 ぜ 相等 そうとう 的 てき (目前 もくぜん 实验证实,在 ざい
10
−
12
{\displaystyle 10^{-12}}
的 てき 精 せい 确度范围内 ない ,仍没有 ゆう 看 み 到 いた 引力 いんりょく 质量与 あずか 惯性质量的 てき 差 さ 别)。这一事实也可以理解为,当 とう 除 じょ 了 りょう 引力 いんりょく 之 の 外 そと 不 ふ 受其他力 たりき 时,所有 しょゆう 质量足 あし 够小(即 そく 其本身 ほんみ 的 てき 质量对引力 りょく 场的影 かげ 响可以忽略 りゃく )的 てき 测验物体 ぶったい 在 ざい 同 どう 一引力场中以同样的方式运动。既 すんで 然 しか 如此,则不妨 さまたげ 认为引力 いんりょく 其实并不是 ぜ 一 いち 种“力 ちから ”,而是一种时空效应,即 そく 物体 ぶったい 的 てき 质量(准 じゅん 确的说应当 とう 为非零 れい 的 てき 能 のう 动张量 りょう )能 のう 够产生 せい 时空的 てき 弯曲,引力 いんりょく 源 げん 对于测验物体 ぶったい 的 てき 引力 いんりょく 正 せい 是 ぜ 这种时空弯曲所 しょ 造成 ぞうせい 的 てき 一种几何效应。这时,所有 しょゆう 的 てき 测验物体 ぶったい 就在这个弯曲的 てき 时空中 ちゅう 做惯性 せい 运动,其运动轨迹正是 ぜ 该弯曲 きょく 时空的 てき 测地线 ,它们都 と 遵守 じゅんしゅ 测地线 方 かた 程 ほど 。正 せい 是 ぜ 在 ざい 这样的 てき 思 おもえ 路 ろ 下 か ,爱因斯坦得 え 到 いた 了 りょう 其广义相对论。
系 けい 统的说,广义相 しょう 对论包括 ほうかつ 如下2条 じょう 基本 きほん 假 かり 设[ 2] 。:
广义相 しょう 对性原理 げんり (广义协变性 せい 原理 げんり ):任 にん 何 なん 物理 ぶつり 规律都 と 应该用 よう 与 あずか 参考 さんこう 系 けい 无关的 てき 物理 ぶつり 量 りょう 表示 ひょうじ 出来 でき 。用 よう 几何语言描述即 そく 为,任 にん 何 なん 在 ざい 物理 ぶつり 规律中出 なかいで 现的时空量 りょう 都 と 应当为该时空的 てき 度 ど 规或者 しゃ 由 よし 其导出 で 的 てき 物理 ぶつり 量 りょう 。
爱因斯坦场方程 ほど (详见广义相 しょう 对论 条目 じょうもく ):Einstein's field equations
G
μ みゅー
ν にゅー
≡
R
μ みゅー
ν にゅー
−
1
2
R
g
μ みゅー
ν にゅー
=
8
π ぱい
G
c
4
T
μ みゅー
ν にゅー
{\displaystyle G_{\mu \nu }\equiv R_{\mu \nu }-{\textstyle 1 \over 2}R\,g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }\,}
它具体 ぐたい 表 ひょう 达了时空中 ちゅう 的 てき 物 ぶつ 质(愛 あい 因 いん 斯坦張 はり 量 りょう )对于时空几何(黎 はじむ 曼曲率 りつ 張 はり 量 りょう )的 てき 影 かげ 响,其中对應力 おうりょく -能 のう 量 りょう 張 はり 量 りょう 的 てき 要求 ようきゅう (其梯度 ど 为零)则包含 ほうがん 了 りょう 上面 うわつら 关于在 ざい 其中做惯性 せい 运动的 てき 物体 ぶったい 的 てき 运动方 かた 程 ほど 的 てき 内容 ないよう 。
廣義 こうぎ 相對 そうたい 論 ろん 的 てき 一 いち 些發現 はつげん :
重力 じゅうりょく 時間 じかん 膨脹 ぼうちょう :重力 じゅうりょく 導 しるべ 致的時空 じくう 扭曲率 りつ 越 えつ 大 だい ,時間 じかん 就過得 とく 越 えつ 慢
進 すすむ 動 どう :是 ぜ 自轉 じてん 物體 ぶったい 之 の 自轉 じてん 軸 じく 又 また 繞 にょう 著 ちょ 另一軸 いちじく 旋轉 せんてん 的 てき 現象 げんしょう 。(這已經 けい 在 ざい 水星 すいせい 軌道 きどう 和 わ 雙 そう 星 ほし 脈 みゃく 衝星中 ちゅう 觀察 かんさつ 到 いた 了 りょう )。
光 ひかり 偏 へん 轉 てん :光線 こうせん 通過 つうか 引力 いんりょく 場 じょう 時 じ 存在 そんざい 偏 へん 轉 てん 。
參考 さんこう 系 けい 拖曳 :處 しょ 於轉動 どう 狀態 じょうたい 的 てき 質量 しつりょう 會 かい 對 たい 其周圍 しゅうい 的 てき 時空 じくう 產 さん 生 せい 拖曳的 てき 現象 げんしょう 。
宇宙 うちゅう 加速 かそく 膨脹 ぼうちょう :宇宙 うちゅう 正 ただし 在 ざい 擴張 かくちょう ,並 なみ 且其遠 とお 處 しょ 的 てき 部分 ぶぶん 以比光速 こうそく 更 さら 快 かい 的 てき 速度 そくど 遠 とお 離 はなれ 我 わが 們。
從 したがえ 技術 ぎじゅつ 上 うえ 講 こう ,廣義 こうぎ 相對 そうたい 論 ろん 是 ぜ 一 いち 種 しゅ 引力 いんりょく 理論 りろん ,其主要 よう 特徵 とくちょう 是 ぜ 它使用 よう 了 りょう 爱因斯坦场方程 ほど 。場 ば 方 かた 程 ほど 的 てき 解 かい 是 ぜ 度量 どりょう 張 はり 量 りょう ,它定義 ていぎ 了 りょう 時空 じくう 的 てき 拓 ひらけ 撲 なぐ 學 がく 結構 けっこう 以及對 たい 像 ぞう 如何 いか 慣性 かんせい 運動 うんどう 。
如果说到了 りょう 二 に 十世纪初狭义相对论因为古典物理原来固有的矛盾、大量 たいりょう 的 てき 新 しん 实验以及广泛的 てき 关注而呼之 の 欲 よく 出 いずる 的 てき 话,那 な 么广义相对论的 てき 提出 ていしゅつ 则在某 ぼう 种意义下是 ぜ “理 り 论走在 ざい 了 りょう 实验前面 ぜんめん ”的 てき 一 いち 次 じ 实践。在 ざい 此之前 まえ ,虽然有 ゆう 一些后来用以支持广义相对论的实验现象(如水 にょすい 星 ほし 轨道近日 きんじつ 点 てん 的 てき 进动),但 ただし 是 ぜ 它们并不总是物理 ぶつり 学 がく 关注的 てき 焦点 しょうてん 。而广义相对论的 てき 提出 ていしゅつ ,在 ざい 很大程度 ていど 上 じょう 是 ぜ 由 よし 于相对论理 り 论自身 じしん 发展的 てき 需要 じゅよう ,而并非 ひ 是 ぜ 出 で 于有一些实验现象急待有理论去解释的现实需要,这在物理 ぶつり 学 がく 的 てき 发展史上 しじょう 是 ぜ 并不多 た 见的。因 よし 而在相 しょう 对论提出 ていしゅつ 之 の 后 きさき 的 てき 一段时间内其进展并不是很快,直 ちょく 到 いた 后 きさき 来 らい 天文学 てんもんがく 上 じょう 的 てき 一系列观测的出现,才 さい 使 し 广义相 しょう 对论有 ゆう 了 りょう 比 ひ 较大的 てき 发展。到 いた 了 りょう 当代 とうだい ,在 ざい 对于引力 いんりょく 波 は 的 てき 观测和 わ 对于一些高密度天体的研究中,广义相 しょう 对论都 と 成 なる 为了其理论基础之一 いち 。而另一 いち 方面 ほうめん ,广义相 しょう 对论的 てき 提出 ていしゅつ 也为人 じん 们重新 しん 认识一 いち 些如宇宙 うちゅう 学 がく 、时间旅行 りょこう 等 とう 古老 ころう 的 てき 问题提供 ていきょう 了 りょう 新 しん 的 てき 工具 こうぐ 和 わ 视角。
相 あい 对论主要 しゅよう 在 ざい 两个方面 ほうめん 有用 ゆうよう :一 いち 是 ぜ 高速 こうそく 运动(与 あずか 光速 こうそく 可 か 比 ひ 拟的高速 こうそく ),一 いち 是 ぜ 强引 ごういん 力 りょく 场。
在 ざい 醫院 いいん 的 てき 放射 ほうしゃ 治療 ちりょう 部 ぶ ,多數 たすう 設 しつらえ 有 ゆう 一 いち 臺 だい 粒子 りゅうし 加速器 かそくき ,產 さん 生 せい 高 だか 能 のう 粒 つぶ 子來 こらい 制 せい 造 づくり 同位 どうい 素 もと ,作治 さくじ 療或造影 ぞうえい 之 これ 用 よう 。氟代脱 だつ 氧葡萄糖 ぶどうとう 的 てき 合成 ごうせい 便 びん 是 ぜ 一 いち 個 こ 經 けい 典例 てんれい 子 こ 。由 よし 於粒子 りゅうし 運動 うんどう 的 てき 速度 そくど 相當 そうとう 接近 せっきん 光速 こうそく (0.9c-0.9999c),故 こ 粒子 りゅうし 加速器 かそくき 的 てき 設計 せっけい 和 わ 使用 しよう 必須 ひっす 考慮 こうりょ 相對 そうたい 論 ろん 效 こう 應 おう 。
全 ぜん 球 たま 衛星 えいせい 定位 ていい 系統 けいとう 的 てき 衛星 えいせい 上 うえ 的 てき 原子 げんし 鐘 がね ,對 たい 精確 せいかく 定位 ていい 非常 ひじょう 重要 じゅうよう 。這些時 じ 鐘 かね 同時 どうじ 受狹義 きょうぎ 相對 そうたい 論 ろん 因 いん 高速 こうそく 運動 うんどう 而導致的時間 じかん 變 へん 慢(-7.2 μ みゅー s/日 にち ),和 かず 廣義 ひろよし 相對 そうたい 論 ろん 因 いん (較地面 めん 物件 ぶっけん )承 うけたまわ 受著較弱的 てき 重力 じゅうりょく 場 じょう 而導致時間 あいだ 變 へん 快 かい 效 こう 應 おう (+45.9 μ みゅー s/日 にち )影響 えいきょう 。相對 そうたい 論 ろん 的 てき 淨 きよし 效 こう 應 おう 是 ぜ ,相 そう 較於地面 じめん 上 じょう 的 てき 時 じ 鐘 かね ,全 ぜん 球 たま 衛星 えいせい 定位 ていい 系統 けいとう 上 じょう 的 てき 時 じ 鐘 かね 運行 うんこう 地 ち 較快。因 よし 此,這些衛星 えいせい 的 てき 軟件需要 じゅよう 計算 けいさん 和 わ 抵消一切 いっさい 的 てき 相對 そうたい 論 ろん 效 こう 應 おう ,以確保 かくほ 定位 ていい 準 じゅん 確 かく [ 3] 。
過渡 かと 金屬 きんぞく 如铂 的 てき 內層電子 でんし ,運行 うんこう 速度 そくど 極 ごく 快 かい ,相對 そうたい 論 ろん 效 こう 應 おう 不可 ふか 忽 ゆるがせ 略 りゃく 。在 ざい 設計 せっけい 或 ある 研究 けんきゅう 新型 しんがた 的 てき 催化劑 ざい 時 どき ,便 びん 需要 じゅよう 考慮 こうりょ 相對 そうたい 論 ろん 對 たい 電子 でんし 軌態能 のう 級 きゅう 的 てき 影響 えいきょう 。同 どう 理 り ,相對 そうたい 論 ろん 亦 また 可 か 解釋 かいしゃく 鉛 なまり 的 てき 6s2 惰性 だせい 电子对效应 。這個效 こう 應 おう 可 か 以解釋 かいしゃく 為 ため 何某 なにぼう 些化學 がく 電池 でんち 有 ゆう 著 ちょ 較高的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど ,為 ため 設計 せっけい 更 さら 輕 けい 巧 たくみ 的 てき 電池 でんち 提供 ていきょう 理論 りろん 根據 こんきょ [ 4] 。相對 そうたい 論 ろん 也可以解釋 かいしゃく 為 ため 何 なに 水銀 すいぎん 在 ざい 常温 じょうおん 下 か 是 ぜ 液體 えきたい ,而其他 た 金屬 きんぞく 卻不是 ぜ 。[ 5]
值得一 いち 提 ひさげ 的 てき 是 ぜ ,原子 げんし 彈 だん 的 てき 出現 しゅつげん 和 わ 著名 ちょめい 的 てき 質 しつ 能 のう 關係 かんけい 式 しき (
E
=
m
c
2
{\displaystyle E=mc^{2}}
)關係 かんけい 不 ふ 大 だい ,而爱因 いん 斯坦本人 ほんにん 也肯定 こうてい 了 りょう 這一 いち 点 てん [ 6] 。質 しつ 能 のう 關係 かんけい 式 しき 只 ただ 是 ぜ 解釋 かいしゃく 原子 げんし 彈 だん 威力 いりょく 的 てき 數學 すうがく 工具 こうぐ 而已,對 たい 實 み 作 さく 原子 げんし 彈 だん 意義 いぎ 不 ふ 大 だい 。
對物 たいぶつ 理學 りがく 發展 はってん 的 てき 影響 えいきょう
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