4、爱因斯坦的广义相对论：重力与时空的革命

爱因斯坦的广义相对论：重力与时空的革命

1. 什么是重力？

重力是自然界中最基本的力之一，从人类早期就开始对其进行探索。穴居人就已经意识到，松开手中的棍棒会使其落到地上，从悬崖跳下会加速下落。这种现象使得重力成为人类生存的重要部分。随着科学的进步，牛顿通过万有引力定律 ( F = G \frac{mM}{r^2} ) 描述了重力的本质。根据牛顿的理论，重力是由质量之间的相互作用产生的，且这种作用是瞬时传播的。

然而，牛顿引力理论虽然成功解释了许多现象，但它存在一个关键问题：它假设重力变化可以瞬间传播到整个宇宙。这与狭义相对论中的速度限制 ( c )（光速）相矛盾。狭义相对论指出，任何信息或影响都不能超过光速传播。因此，爱因斯坦开始探索一种新的重力理论，以解决这一矛盾。

2. 朝向新的重力理论

爱因斯坦通过等效原理构建了他的新重力理论。等效原理指出，在局部范围内，引力场与加速参考系等效。这意味着在一个封闭的电梯中，无论是由于重力还是由于电梯的加速，观察者无法区分这两种情况。例如，当电梯以 ( 9.8 \, \text{m/s}^2 ) 的加速度上升时，物体在电梯中会像在地球表面一样下落。

广义相对论的核心概念是：物质使时空弯曲，物体在弯曲时空中沿测地线运动。这与牛顿力学中的力驱动运动完全不同。爱因斯坦场方程 ( G_{ik} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{ik} ) 将时空的几何结构（由度规张量 ( g_{ik} ) 描述）与物质和能量的分布（由能量-动量张量 ( T_{ik} ) 描述）联系起来。

等效原理的实验验证

爱因斯坦通过一系列思想实验（gedanken实验）验证了等