【极重篇 | 导读】广义相对论

【极重篇 | 导读】广义相对论

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严老师讲义 

什么是极重?

正式进入了《六极物理》的第三篇【极重篇】,这也是这门课程介绍宏观世界的最后一篇。


谈到重,人的直观感受是一个物体的重量很重,也就是质量特别大。大到什么程度呢?几吨?几十吨?几万吨?


这些质量在宇宙的尺度看都太小了。我们这里探讨的极重,质量的极大,要大到天体的质量。可能是1后面跟几十个0这种数量级,单位是千克。至少要达到像太阳、中子星这种天体等级的质量,才是我们关心的范畴。


根据【极大篇】的学习,我们已经讨论了宇宙中都有哪些天体。这些天体的性质,比如是否可以成为一颗恒星?消耗完自身能量以后,是成为白矮星还是中子星,甚至会不会变成黑洞?这些都取决于天体的质量。


似乎我们在不同尺度下,把质量的轻重都已经讨论过了。那为什么还要把【极重篇】作为一整篇进行探讨呢?


答案是我们只讨论了质量大小对单个天体的影响,但是天体之间的相互作用,我们讨论得还不彻底,甚至可以说完全没有摸到它的本质。


虽然牛顿的万有引力我们已经比较清楚了,但是用万有引力来描述天体之间的关系是不完备的,它有很多问题回答不了。


并且在更大的时空尺度下,牛顿的万有引力定律几乎是失效的。这个时候,爱因斯坦的广义相对论,才是描述空间和时间的根本理论。在大的时空尺度下,天体的运行规律,甚至天体的种类,都要经过广义相对论的改写。


广义相对论是在质量极大的情况下唯一的物理学效果,也是我们要去研究大到全宇宙的时空尺度的根基,它是宇宙学的奠基性理论。


我们的【极重篇】,就是为爱因斯坦的广义相对论而专门开设的。广义相对论会告诉你,时空是可以扭曲的。


我们在狭义相对论里讲到的那些神奇的效果,比如钟慢效应和尺缩效应,在广义相对论里也都会显现。


广义相对论在物理学中的地位

广义相对论在整个物理学中的地位是很特殊的,并不是因为它是极其高超、深奥的智慧,也不是因为它是爱因斯坦的天才创造。而是广义相对论几乎不与其他任何领域的物理学研究有明显的交叠。


当然,在【极小篇】中我们会谈到,目前物理学最前沿的理论——超弦理论,目标就是尝试去融合广义相对论和量子力学,但是这项工作目前还没有任何实验验证。因此,广义相对论可以说是整个物理学中遗世而独立的存在。


广义相对论和狭义相对论的发展还非常不一样。在爱因斯坦之前,科学家们对于狭义相对论中的光速不变原理,已经有共识了,并且也被迈克尔逊-莫雷干涉实验验证了。


甚至在爱因斯坦之前,物理学家洛伦兹就已经提出了洛伦兹变换。通过洛伦兹变换,钟慢效应和尺缩效应都能被推导出来。


爱因斯坦的狭义相对论,其实是把这些问题进行了统合,它是从物理学的发展中自然而然的流淌出来的。


但广义相对论就完全不同了,广义相对论的发明可以完全归功于爱因斯坦天才的创造力。因为爱因斯坦并不是受到一些实验现象的启发,而是完全靠自己的想象力和思考能力,无中生有般的创造出了广义相对论。


广义相对论在被发明之初,与其它学科可以说是毫无交叠,由广义相对论才派生出了现代宇宙学。


那为什么广义相对论必须要诞生呢?


可以说即便不是爱因斯坦发明了广义相对论,随着人类对于宇宙的研究、天体的观测越来越深入,越来越多的数据涌现出来,科学家们肯定会发现万有引力在很多天体问题上是失效的。


相比之下,广义相对论可以描述天体运动的精确规律,是必然会被发明出来的。但是爱因斯坦的天才洞察,可以说让广义相对论提前诞生了。


爱因斯坦花了十年时间创造了广义相对论。之所以需要这么长的时间,是因为爱因斯坦花了大量时间学习一种特殊的几何学知识,叫做黎曼几何。


黎曼几何是一种有别于传统欧几里得几何的几何学知识,它研究的是曲面上的几何规律。而广义相对论正是研究扭曲的空间,所以需要黎曼几何的支持。


因此,我们需要花一整篇来介绍爱因斯坦的天才理论,它是整个物理学中最重要的分支之一。人类想要探明宇宙,必须以广义相对论作为起点。


【极重篇】分为三章:

第一章,我们讲广义相对论的基本原理,以及它的理论推导;


第二章,我们来看看广义相对论是如何被实验验证的。近期就有一个研究成果,那就是引力波的发现;


第三章,我们讲以广义相对论为起点的宇宙学中,可以推导出哪些神奇的结论,比如黑洞,等等。


以上内容来自专辑
用户评论
  • 依依萍踪

    讲得真好!点赞!

  • 1354199fkma

    开拓思路 讲的很赞 遗憾没有同步听

  • 小鬼021

    广相就是会被老艾在这个时候发现,不早不晚。

  • 一封魔法信号

    太适合当教授了,讲得真清楚。

  • 一蓑烟雨任平生KK

    发明广义相对论?应该是发现吧。

  • 听友195378008