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广义相对论及其试验证明-中国物理C
纪念广义相对论创立 100 周年
广义相对论及其实验证明
张元仲
(中国科学院理论物理研究所 100190 )
爱因斯坦1905 年提出的狭义相对论(平直时空理论) 理要求一切物理定律在广义坐标的任意变换下保持不
用狭义相对性原理代替伽利略相对性原理,即所有动力 变。但是洛伦兹变换是物理时空坐标的变换而广义坐
学方程式都要在洛伦兹坐标变换下保持形式不变。牛顿 标没有直接的物理意义;而且狭义相对性原理不引入
力学第二定律很容易修改得满足这种要求并且已经纳入 任何相互作用力,但是广义协变性代表了引力效应。
狭义相对论的第一篇论文之中。但是,牛顿万有引力定 具体地说,广义协变的度规场方程就是引力的动力学
律却很难修改成平直时空中的引力理论。为此,爱因斯 方程;在没有引力存在的其他物质场方程变成广义协
坦经过十年的不懈探索最终以广义协变原理和局部等效 变的方程后也就纳入了引力效应。
原理为基础于1915 年建立了弯曲时空的引力理论即广 等效原理是弱等效原理和强等效原理的统称。
义相对论 (1916 年发表)。广义相对论的引力场方程是 弱等效原理:最早由伽利略发现,所以又称为伽
引力势的高度非线性方程;在没有外力 (引力除外)的 利略等效原理, 简单说是引力质量等于惯性质量。借
情况下物体在引力场中沿测地线运动 (也就是满足弱等 助于牛顿力学第二定律和万有引力定律,弱等效原理
效原理的自由落体运动);在弱场和低速近似下广义相 可以有多种表述。质点在引力场中的自由落体加速度
对论近似为牛顿引力和牛顿力学第二定律。本文将简要 由牛顿万有引力定律和牛顿力学第二定律给出:
介绍广义相对论的两个基本假设和各种预言及其实验检 F m g m a a m m g
= = 或 = ( / ) , (1)
g i g i
验,例如:广义协变原理、等效原理、磁型引力 (或说 m g m
其中 是惯性质量, 是引力加速度, 是引力质量
i g
引力磁场)效应、时钟变慢与引力红移、引力波、光线 (引力质量又分为主动引力质量和被动引力质量,“主
偏折 (引力透镜)、行星近日点进动、雷达回波的时间 动”是指 “产生”引力,“被动”则是 “感受”引力;
延迟、中子星、引力塌缩与黑洞、黑洞热力学与霍金辐射、 为了简单我们将假定两者相等)。
大爆炸宇宙模型、计算 (数值)广义相对论、量子引力, 如果(mg/mi) 是一个不依赖于质点物理性质的普
等等。虽然广义相对论已被普遍接受,但是广义相对论 适常数,那么弱等效原理的互为等价的不同表述是:
还存在一些理论困难,例如,爱因斯坦引力场方程的许 m m
(a )适当地选取质量和重量的单位使常数( g/ i)=1,
多严格解难以找到物理解释;广义相对论的量子化 (量 即弱等效原理可以表述为 “惯性质量等于引力质量”;
子引力)问题难以解决,等等。因此,物理学家对广义 (b )在固定质量单位和重量单位的情况下弱等效原理
相对论的理论基础、重要预言和理论困难从理论与实验 也可以表述为 “一切物体无论它们的重量和材料如何,
两个方面多年来进行了深入的探索,取得了长足的进展。 g a
在给定的引力场 中都具有相同的自由落体加速度 ”
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