广义相对论诞生一百年后:仍然是人类探索宇宙的基石

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爱因斯坦的广义相对论预言,巨大的物体会扭曲它们附近的流年。而美国宇航局的重力探测器B发现,地球附近的流年虽然被亲戚亲戚大伙儿地球所弯曲,并被地球的旋转运动所扭曲。来源:NASA

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在问世另俩个世纪后,仍然经受得住时间的考验。

爱因斯坦于1915年发表的你一点著名理论,至今仍是科学家们理解宇宙起源和进化的基石。它继续激发着亲戚亲戚大伙儿去研究物理学和天文学中的一点最基本的未解之谜。

来自斯坦福大学卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所的罗杰·布兰德福德说:“我认为广义相对论现在被普遍接受为亲戚亲戚大伙儿用于描述宇宙的基础(即亲戚亲戚大伙儿称之为宇宙学的学科);黑洞、中子星以及亲戚亲戚大伙儿的太阳系中的行星和宇宙飞船的微小轨道修正总要 这么。”

引力的性质

广义相对论将引力加在到爱因斯坦1905年发表的狭义相对论中。狭义相对论假定所有非加速观察者的物理定律总要 相同的;即使观察者或光源在运动,真空中的光速全都我会改变。

狭义相对论在历史上最著名的方程式E = mc2中也阐明了能量和质量之间的关系。(“E”是能量;“m”是质量,“c”是真空中的光速——最少6.71亿英里每小时,或10.8亿公里每小时)。该理论还将空间和时间统一为另俩个四维的“流年”。

广义相对论对后這個 观点进行了扩展,该理论解释说物质会扭曲流年,就像插进床上的保龄球会在床单上造成凹陷一样。但这并总要 爱因斯坦拍一拍后脑勺就想到的,在经过了10多年的高带宽思考和努力就是他才最终想到你一点非凡的洞见。

布兰德福德说:“他不得不归还一点观点。他提出了一点观点,但就是又会归还,不过他另俩个劲在前进的道路上,”引导他的总要 数学思想或数学技巧,对他引导最大的是他的物理直觉,他的你一点异常强大的物理直觉在过去对他很有帮助,也这么否则你失望。”

相比于把引力认为是這個 作用于物体上的固有力,广义相对论将引力描述为流年弯曲的结果。(想象一下,另俩个球从保龄球在床上造成的斜坡上滚下来。)

布兰德福德在3月5日发表在《科学》杂志网络版上的一篇不得劲评论文章中写道,这是另俩个强而有力的、否则非常激进的想法,但它否则经受住了近另俩个世纪的严格审查。

多方确认

广义相对论预测,光在经过另俩个巨大物体(比如星系团)的就是会走出十根绳子 弯曲的路径,否则星团会极大地扭曲流年社会形态。

你一点点也虽然被科学家们所观察到;天文学家另俩个劲使用“引力透镜”来研究遥远的光源。事实上,在更小的宇宙范围内,你一点大大问题甚至帮助了行星猎人寻找太阳系以外的外星世界。(有就是通过研究系外行星的恒星系统怎么弯曲来自背景天体的光,亲戚亲戚大伙儿就还需要发现系外行星。)

水星绕日轨道的特殊性也支持着广义相对论。

布兰德福德在科学评论文章中写道:“广义相对论解释了水星在近日点的异常旋进。”爱因斯坦用广义相对论解释了否则一点行星的引力就原因水星进动有10%左右的差异,最少每世纪43弧秒。”

布兰德福德说,一点类型的观测证据也帮助广义相对论站稳了脚跟。

跟跟我说:“亲戚亲戚大伙儿否则用一点不同的法子进行了测试,我认为,公平地说,目前还这么可靠的测量或观察结果会否则你怀疑广义相对论的适用性。”

黑暗的宇宙

普林斯顿大学的大卫·斯佩格尔(David Spergel)在同一期《科学》杂志上发表的另一篇评论文章中写道,广义相对论还暗示,宇宙的绝大次要总要 由人类无法直接探测到的物质构成的,人类甚至(否则现在还)无法理解那先 物质。

斯佩格尔指出,通过对宇宙中物质和光的运动进行仔细研究,科学家们发现只用“正常”的物质无法解释流年的曲率模式。事实上,观察表明,宇宙中这么5%是亲戚亲戚大伙儿熟悉的原子物质,其余25%是暗物质,最少有70%是暗能量。

暗物质既不发光全都我吸收光,亲戚亲戚大伙儿这么通过其引力效应可不可以知道其处于。而暗能量是這個 与真空有关的神秘力量,它被认为是宇宙加速膨胀的原因。

1917年,爱因斯坦在广义相对论中加入了另俩个名为“宇宙常数”的术语,你一点“宇宙常数”作为這個 排斥力会抵消引力,以实现另俩个静态的宇宙(这是当时对宇宙本质的主流看法)。1929年,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的观测结果显示,宇宙实际上正在膨胀,你一点著名发现使爱因斯坦放弃了“宇宙常数”,据称他认为这是他一生中“最大的败笔”。

否则当现在天文学家们正在努力研究暗能量的本质时,你一点“宇宙常数”看起来很有先见之明。

“为那先 宇宙在加速膨胀?最被研究得最多的否则性是宇宙常数(否则说是真空空间的真空能量)正在驱动宇宙加速膨胀,”斯佩格尔在《科学》杂志的文章中写道,“另這個 否则性是宇宙中处于另俩个不断演化的标量场,它充满了太空(就像希格斯场或推动宇宙早期快速膨胀的膨胀场)。这這個 否则性都集中在‘暗能量’中。”

“否则所有暗能量的证据都使用广义相对论来解释亲戚亲戚大伙儿对宇宙膨胀和进化的观察,全都全都我结论是,亲戚亲戚大伙儿需要另俩个新的引力理论来解释那先 观察,”他补充道,“否则性包括具有额外维度的修正引力理论。”

未来

布兰德福德说,广义相对论应该会在相当长的未来里继续影响物理学家、宇宙学家和天文学家的学术研究。

类似,研究人员将继续使用你一点理论来更好地理解黑洞、中子星以及一点天体和大大问题。科学家们还将继续探索暗能量和暗物质的本质,努力在最广的尺度上理解宇宙。

最后,或许也是最令人兴奋的是,研究人员将继续努力尝试把广义相对论与量子力学统一齐来,把最大的世界和最小的世界结合起来。到目前为止,虽然物理学家们还这么找到你一点伟大而诱人的“万物理论”,但布兰德福德表示,他认为这是还需要实现的。

跟跟我说:“科学家们有全都令人兴奋的想法,我是另俩个乐观主义者,希望我的同事们能取得成功。”

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