物理

【广义相对论速成版】0. 绪论

Albert Einstein是当代最伟大的物理学家，他于1905年建立了狭义相对论，并推导出重要的质能关系，同年还发现了光电效应，提出了光量子概念(于1921年获得Nobel物理学奖)。

Einstein在1915年创建的广义相对论，是关于时间、空间与物质及其运动相互依赖关系的学说，是建立在广义协变性原理、等效原理和Riemann几何基础上的引力理论和宏观物质运动的理论。

这一理论不仅对Newton力学的核心内容(Newton动力学和万有引力定律)给予了统一而深刻的解释，还预言了许多Newton力学所不能解释的的新物理效应，并为以后的实验所证实。其预言的黑洞和引力波近几年被观测所直接证实。

广义相对论就其创造性和深刻性来说都是非凡的，它是现代物理学的重要基石之一。

近二十年来由于空间技术、射电天文学和其它新技术的发展，广义相对论有可能以更高的精度在多方面得到验证，比如$75$年证实包含一个脉冲星(PSR1913+16)的引力辐射阻尼的存在就是一个重要的例子。

从大的宏观方面来说，广义相对论是现代宇宙学的基础。并且从恒星演化的过程来看，由于$1968$年发现的脉冲星被认证为旋转的中子星，促使人们认真地探讨和寻找广义相对论早已预言的黑洞，它是Einstein引力理论对时空结构的必然产物，也是物理学中很奇特的一个概念和实体，人们相信黑洞会发现的。($2019$年已经“拍”到了黑洞的第一张照片)。

从理论物理的体系来说广义相对论是一种流形上的非Abel规范理论，由于这一极其重要的特征，使得有可能建立包括引力作用、弱作用、电磁作用和强相互作用的超大统一场理论。基于这一原因，今天广义相对论再次称为物理学和天文学中十分活跃的领域，并显示出它强大生命力，近年来这方面的进展有：

- 新Kaluza-Klein理论：

$d=4+n$维的引力理论，将Einstein引力理论和其它非Abel规范理论统一起来。

- 超引力理论(Super gravity)和超Kaluza-Klein理论：

推出包含两个旋量坐标的超空间，预言自旋为$\frac{3}{2}$的引力微子的存在。

- 超弦理论(Super String)：

认为粒子的实体不是点而是振动弦，可能消去场论中的发散问题和自动消去反常。

最近推出可能证实了第五种力的存在(Phys. Rev. Lett. No.1, 1986: p3)。这种力普遍存在于重子和重子之间，由于物质是由重子，即：质子和中子构成的，所以宏观的物质之间存在第五种力的普遍作用，它将会对Newton万有引力势能公式有一个小的修正

$$V(r)=-G\frac{m_{1}m_{2}}{r}(1+\alpha e^{-\frac{r}{\lambda}})~,\quad\alpha=-(7.2\pm 3.6)\times 10^{-3}~,\quad \lambda=300\pm 50 \mathrm{m}$$

第五种力的存在曾于$55$年为李政道、杨振宁初创非Abel规范理论时预言。这种新的力的存在不会影响广义相对论的正确性，并且不会影响现有的天文观测数据(因为$\lambda$为百米数量级)。

但广义相对论并不是理论的终结，人们正在Einstein理论的基础上，向物理学中宏观和微观领域进行新的探索。

广义相对论的预言和实验验证

- 水星近日点的进动。

- 光线绕过太阳表面的偏折。

- 星系谱线红移。

- 双星引力辐射。

- 广义相对论推出黑洞的存在

- 以广义相对论为基础的宇宙学推出宇宙膨胀模型，并发现了$3$K微波背景辐射。

与广义相对论理论相关的科学家

- Albert Einstein 德国人 (1879.03.14-1955.4.18)

$$1955-1879=76\text{岁}$$

发现狭义相对论

$$1905-1879=26\text{岁}$$

建立广义相对论

$$1915-1879=36\text{岁}$$

- Carl Friedrich Gauss 德国人 (1777.04.30-1855.02.23)

$$1855-1777=78\text{岁}$$

- Georg Friedrich Bernhard Riemann 德国人 (1826.09.17-1866.07.20)

$$1866-1826=40\text{岁}$$