爱因斯坦的广义相对论表达的什么,有怎样的意义?
广义相对论描述的是物质与空间、运动与时空之间的精妙联系,揭示了万有引力的本质。
1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,狭义相对论的时空观已经颠覆了经典时空观,但是狭义相对论有一个非常大的缺陷,就是只能描述惯性系,无法描述非惯性系。
狭义相对论的主要工作完成后,爱因斯坦着手把相对论推广到非惯性系,在爱因斯坦苦思之时,脑海里闪过一个想法——电梯思想实验。
电梯思想实验:试想一座摩天大楼,一架电梯正在从顶层下降,突然电梯的缆绳断了,电梯开始做自由落体运动;此时对于电梯里面的人,就好像不受任何力一样,而电梯参考系正是非惯性系。
这一想法在爱因斯坦大脑中闪过,但是爱因斯坦敏锐的洞察力从中看到广义相对论,后来爱因斯坦把这个想法闪过时的愉快,称作他一生中最快乐的时光。
爱因斯坦从电梯思想实验中,悟出了广义相对论的重要原理——等效原理,指重力场和适当的加速度场是等价的,也可以说“惯性质量等于引力质量”。
等效原理是广义相对论的两大基本原理之一,另外一个是广义相对性原理;在1915年,爱因斯坦得到了广义相对论场方程,这也是广义相对论的核心方程:
该方程是物质对时空作用的数学描述,方程左边是物质的分布情况,方程右边是时空的弯曲情况,也就说物质告诉时空如何弯曲,而弯曲的时空告诉物质如何运动,于是万有引力在相对论中被几何化,引力的本质就是时空弯曲。
其实爱因斯坦最初的引力场方程,还有一个宇宙学常数项,因为去掉宇宙学常数项的方程,描述的宇宙是不稳定的,爱因斯坦为了消除这种不稳定加入了宇宙学常数项。
但后来天文学家发现宇宙处于膨胀过程中,宇宙本身不是静态的,所以爱因斯坦又把宇宙学常数项去掉了,并称引入宇宙学常数项是他一生中犯下最大的错误。
如果爱因斯坦从一开始就不加入宇宙学常数项,或许他还能预言出宇宙处于膨胀当中,这绝对是一项伟大的理论预言,可惜爱因斯坦在这失误了。
事情的发展总是出人意料,当代天文学为了解释宇宙膨胀的原因,引入“暗能量”的概念,有科学家指出,暗能量或许就是爱因斯坦当初提出的宇宙学常数项导致,所以宇宙学常数项貌似有复活的迹象。