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关于爱因斯坦广义相对论你可能不知道的6件事

  

  

  当爱因斯坦在1915年提出相对论时,人类对空间、时间和引力的理解发生了根本性的变化。该理论是他狭义相对论的扩展,认为大质量物体会扭曲时空结构。爱因斯坦提出,引力是由质量和能量造成的时空扭曲的结果。

  这是一个涉及面很广的理论,花了几十年的时间才得到证实。最终,这一理论被证明对开发改变日常生活的技术至关重要,包括阴极射线电视、核能、雷达炮和GPS导航。

  以下是关于爱因斯坦著名理论的六个令人惊讶的事实。

  虽然广义相对论经常被认为是一个天才的独门之作,但阿尔伯特·爱因斯坦在研究其背后的数学原理时,实际上得到了几位不太知名的朋友和同事的大力帮助。

  大学时代的朋友马塞尔·格罗斯曼和米歇尔·巴索(据说爱因斯坦在逃课后依赖于格罗斯曼的笔记)在这个过程中尤为重要。1913年,爱因斯坦和瑞士理工学院的数学教授格罗斯曼发表了广义相对论的早期版本,而贝索——爱因斯坦在1905年发表的关于狭义相对论的论文中得到了他的认可——在接下来的两年里与爱因斯坦广泛合作,共同发展了广义相对论。

  伟大的数学家大卫·希尔伯特(David Hilbert)和埃米·诺特(Emmy Noether)的工作也为广义相对论背后的方程做出了贡献。到1916年最终版本出版时,爱因斯坦还受益于年轻物理学家的工作,如Gunnar Nordstr?m和Adriaan Fokker,他们都帮助他阐述了他的理论,并从早期的版本中塑造了它。

  爱因斯坦的广义相对论

  1913年,爱因斯坦和格罗斯曼发表了一篇被称为Entwurf(“大纲”)的论文,其中包含一个重大的数学错误,即一束光在重力作用下弯曲的量计算错误。

  这个错误可能在1914年就暴露出来了,当时德国天文学家欧文·芬利·弗伦德利希(Erwin Finlay Freundlich)在那年8月的日食期间前往克里米亚测试爱因斯坦的理论。然而,弗劳德里奇的计划被第一次世界大战在欧洲的爆发所挫败。1915年11月,当爱因斯坦提出广义相对论的最终版本时,他已经改变了决定物质如何弯曲时空的场方程。

  日食

  他的杰作在普鲁士科学院的揭幕仪式,以及后来在《Annelen Der physik》上的发表,无疑给爱因斯坦带来了极大的关注,但直到1919年,他才成为国际巨星。那一年,英国物理学家阿瑟·爱丁顿在5月29日发生的日全食期间首次对广义相对论进行了实验验证。

  在一项由英国皇家天文学家弗兰克·沃森·戴森爵士构想的实验中,爱丁顿和其他天文学家测量了日食期间恒星的位置,并将其与“真实”位置进行了比较。他们发现,根据爱因斯坦的预言,太阳的引力确实改变了星光的路径。当爱丁顿在1919年11月宣布他的发现时,爱因斯坦登上了世界各地报纸的头版。

  1915年,德国著名数学家大卫·希尔伯特邀请爱因斯坦到哥廷根大学做系列讲座。两人讨论了广义相对论(爱因斯坦仍然对如何使他的理论和方程成立有严重的怀疑),希尔伯特开始发展他自己的理论,他在爱因斯坦于1915年11月发表演讲前至少五天完成了他的理论。

  一开始是朋友和同行科学家之间的思想交流,后来变得激烈起来,两人都指责对方剽窃。当然,爱因斯坦得到了荣誉,后来的历史研究发现,这是他应得的:对希尔伯特证明的分析表明,在那年秋天完成的理论版本中,他缺少一个被称为协方差的关键因素。实际上,希尔伯特直到1916年3月31日才发表了他的文章,当时爱因斯坦的理论已经公开了几周。历史学家说,在那个时候,他的理论是协变的。

  尽管1919年的日食测试表明,太阳的引力似乎像爱因斯坦预测的那样使光线弯曲,但直到20世纪60年代,科学家才开始发现根据广义相对论原理影响时空形状的极端物体,如黑洞和中子星。

  直到最近,他们还在寻找引力波的证据,引力波是由大质量物体的加速引起的时空结构中的涟漪。2016年2月,漫长的等待终于结束了,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的科学家宣布,他们已经探测到两个大质量黑洞碰撞产生的引力波。

  尽管爱因斯坦的理论主要是在黑洞和宇宙碰撞中发挥作用,或者在超小尺度(想想弦理论),但它也在我们的日常生活中发挥作用。GPS技术就是一个突出的例子。广义相对论表明,时间流动的速度取决于一个人离大质量物体的距离。这个概念对全球定位系统至关重要,因为它考虑到地球轨道卫星的时间流动速度与我们在地面上的时间流动速度不同。

  因此,GPS卫星时钟上的时间比地面时钟每天快约38微秒。这看起来差别不大,但如果不加以检查,就会在几分钟内导致导航错误。GPS补偿时差,通过电子方式调整卫星时钟的速率,并在计算机中建立数学函数来解决用户的确切位置——这一切都要归功于爱因斯坦和相对论。

  

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