廣義相對論說的是什麼?不是學物理的能看懂廣義相對論嗎?

Mrs-Micky

就是學物理的也不一定能看懂廣義相對論!所以如果沒有學過物理,我相信能真正看懂廣義相對論是很難的。

我們都說廣義相對論將引力解釋為時空彎曲,其實這既是對廣義相對論的最簡單解讀,也是對廣義相對論的最粗糙解釋。當初愛因斯坦就因為這個想法建立一個錯誤的所謂的廣義相對論場方程!愛因斯坦當時以為只要將描述時空彎曲程度的裡曲率張量與物質場的能量動量張量聯立起來就能構造出廣義相對論場方程,但是這個方程卻導致了不合理的結果。後來愛因斯坦幾經修改,得到了我們現在看到的廣義相對論場方程,即愛因斯坦場方程。這個方程經過指標縮並,還是可以得到時空標曲率和物質場的能量動量密度之間是成正比的關係,但是和之前不同的是,這個比例係數要多一個符號!

在現代物理學看來,廣義相對論其實是狹義相對論的一種推廣。狹義相對論的背景時空是剛性時空,而廣義相對論的背景時空則是彈性時空,而且時空度規只是時空座標的函數——也就是黎曼幾何。如果背景時空度規是時空座標與速度的函數,這種推廣將是另一種相對論,目前還在研究中。

到這兒,我所說的東西涉及到的知識不是物理知識,而是數學知識。但是,要理解相對論的物理含義,還需要尋找相對論的物理對應。否則,廣義相對論僅僅是數學,而不是物理,進而就會犯很多錯誤。關於相對論的物理含義,其實有兩點:背景時空依賴性和運動的絕對性。前者說明廣義相對論的一個特殊性,背景時空既是舞臺又是演員。後者則說明需要尋找一種不依賴參考系的運動學描述方式。這兩點在狹義相對論裡就已經有所體現了,只不過只有到了廣義相對論這兩點會被放在極為特殊的位置之上。原因在於廣義相對論的背景時空可以有N多種選擇,而且彼此之間不能通過座標變換相互轉換。

學懂廣義相對論需要不斷地做練習,還要不斷地閱讀文獻。所以,只有功夫深,廣義相對論沒什麼難度。


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如果沒有學過微分幾何,可以說廣義相對論的方程是看不懂的。在廣義相對論中,主要是利用微積分來研究黎曼幾何的性質。如果想要簡單入門廣義相對論,可以去看一看趙崢和劉文彪老師編著的《廣義相對論基礎》。在看這本書之前,高等數學和線性代數的基礎不能少,否則真的沒法看懂。如果想要深入理解廣義相對論,可以學習一下樑燦彬和周彬老師編著的《微分幾何入門與廣義相對論》。此外,還可以看看愛因斯坦本人編著的《相對論》,這本書涉及到的公式很少,主要是介紹相對論的思想。

廣義相對論其實就是一種引力理論,它的使用範圍要比牛頓的萬有引力定律更為廣泛,它可以解釋牛頓引力理論所無能為力的領域,比如水星近日點進動問題、星光偏轉;還能預言很多新的引力現象,比如引力紅移、引力透鏡效應、引力波,這些現象均已經一一得到驗證。

在廣義相對論中,物體彎曲時空造成的幾何效應是引力的來源。在彎曲空間中運動的物體始終會有接近彼此的趨勢,所以它們之間會表現出一種吸引力的作用,這與萬有引力定律的出發點完全不同。有關廣義相對論對引力的描述,惠勒曾經有過這麼一句名言:“物質告訴時空如何彎曲,而時空又會告訴物質如何運動”。

廣義相對論的核心是引力場方程:

這是一個十分複雜的非線性二階偏微分方程,想要從中求出有物理意義的精確解極為困難,很多重要的預言就是從這個方程導出的。最早得到精確的人不是愛因斯坦,而是史瓦西,他得到了史瓦西解,由此預言了黑洞的存在。此外,如果在弱引力場中,上述引力場方程可以退化為萬有引力定律。


火星一號

首先,絕大部分讀物理的人是不學廣義相對論的。因此,一般意義上來說,大部分讀物理的人是看不懂廣義相對論的。為什麼會看不懂?主要是廣義相對論用到了微分幾何,微分幾何裡的裡奇張量,標量曲率,沒有專門的訓練是不會算的。因為這裡面涉及到一下上下指標的求和,還有就是各種偏微分,這不是大多數物理系學生學習過的知識。

其次,至於你提到的廣義相對論到底說的是什麼?我覺得這個問題特別難回答,因為廣義相對論太博大了,猶如武俠小說裡的九陽神功,屬於上層功夫,需要一些內功才能概括出來。我覺得廣義相對論刻畫的是時間與空間的本質,也描述了時間與空間如何受到物質的控制,而物質的運動反過來被時間與空間控制的這種辯證關係。當然了,廣義相對論可以刻畫我們的宇宙,它可以解釋為什麼我們的宇宙在膨脹。廣義相對論也可以刻畫黑洞,尤其是可以告訴我們黑洞附近的時間是如何變慢的。


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