1915年11月25日爱因斯坦创立广义相对论

发布网友 发布时间：2022-05-15 10:51

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热心网友 时间：2023-10-21 04:25

1915年11月25日，爱因斯坦创立了广义相对论，这是他一生众多科学硕果中分量最重的一个。英国物理学家狄拉克盛赞广义相对论，说它“也许是人类作出的最伟大的科学发现”。

1907年，爱因斯坦表示了对他在1905年创立的狭义相对论的不满。因为狭义相对论两个基本原理之一“相对性原理”认为：物理定律在所有惯性系中都相同。他认为这一原理与牛顿力学一样，均把惯性系放在了一个特殊的位置上，无论从物理学还是美学上均不完美。

爱因斯坦认真分析后认为，突破口就在把经典力学中“引力质量和惯性质量相等”的事实推广到“惯性力与引力等效”，这便是广义相对论的一个重要原理“等效原理”。等效原理使爱因斯坦认识到，万有引力是时空弯曲的表现。但是当时他还没有掌握描述新理论的数学工具——黎曼几何。所以直到1911年夏天，他将注意力重新放到引力理论上，希望将自己1905年提出的关于时空关系的狭义相对论推广到更一般化的情况。

爱因斯坦探寻广义相对论的目标，是要找到描述两个相互交织过程的数学方程式——引力场如何作用于物质，使之以某种方式进行运动；物质又如何在时空中产生引力场，使之以某种形式发生弯曲。

1915年6月底，爱因斯坦思考出了许多关于广义相对论的内容。在那个月底，他以正在思考的问题为主要内容，在德国哥廷根大学开设了为期一周的系列讲座。哥廷根大学是全世界最杰出的数学研究中心，拥有许多非凡的天才，其中最著名的就是数学家大卫·希尔伯特。爱因斯坦特别渴望与希尔伯特沟通交流，他向希尔伯特解释了相对论的每一个艰涩难懂的细节。希尔伯特也同样为爱因斯坦及其理论着迷，以至于没过多久，他就开始自已动手尝试解开爱因斯坦迄今尚未完成的谜题——寻找能够完整描写广义相对论的数学方程。

1915年10月初，爱因斯坦已经听到了希尔伯特追寻答案的“脚步声”，与此同时，他意识到当前版本的理论框架存在着严重缺陷。整个11月份，爱因斯坦几乎累得精疲力竭，他一直在努力解决一系列的方程式，不断进行修改和更正，准备向终点做最后的冲刺。

在匆忙仓促中，灵感不期而至，爱因斯坦终于取得重大突破，想到了描写广义相对论的精确方程。在11月25日的最后一次演讲中，爱因斯坦及时地提出了一组可以描述广义相对论的协变方程，那次演讲的题目为“引力场方程”（The Field Equations of Gravitation）。在该方程有一个形式可以写成：Rμν- 1/2gμνR = -8πG Tμν。方程左边如今被称为爱因斯坦张量（Einstein tensor），可以简写为Gμν，用以描述时空的几何结构是如何因物体的存在而弯曲变形的，右边则描述了引力场中的物质运动。这个方程表明了物体是如何弯曲时空，以及这种弯曲又是如何反过来影响物体运动的。

通过狭义相对论的创立，爱因斯坦已经证明，空间和时间并非独立存在，而是形成了一种时空构造，而广义相对论表明，这种时空构造既可以被其中物体的运动所决定，又可以反过来决定其中物体的运动。这种弯曲的时空构造解释了引力及其与加速度的等效原理，还有关于各种运动形式的广义相对论。

整个创立广义相对论的过程让爱因斯坦疲惫不堪，但他却感到从未有过的幸福。“我最大的梦想已经实现，”他向他最好的朋友说。

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作者： 孔祥宇