晚期恒星与广义相对论

爱因斯坦的科学成就是多方面的。但是,他的最主要、最重大的贡献是创立了狭义相对论和广义相对论。广义相对论,从一开始就与天文学、天体物理学紧密地联系在一起。广义相对论的三大验证,首先从天文学得到。水星近日点的进动本身就是一个天文学问题。光线在引力场中弯曲是这样验证的:在日全食     

具有启发性的广义相对论

在国庆十周年之际，我曾奉命陪同来访的波兰贵宾、物理学家因费尔德（L．Infeld）。因费尔德曾是爱因斯坦的合作研究者，他们合著的科普书《物理学的进化》影响广泛。当我提到广义相对论不如狭义相对论或量子力学那样有许多科学检验和效益时。他说广义相对论仍是一个启发性的理论（stimulating theory）。我对他的看法深以为然，在这次会上由我自己发言来展示这一点，因为受到同样“刺激”不同人的反应不尽相同。     

广义相对论的理论进展

在一次不太长的演讲中,不可能把我们对于广义相对论的理解方面所获得的全部进展阐述清楚,也不可能把那些作出过重大贡献的人名包含无遗.我仅仅选择一些我认为是最精采的论题,对于我个人选择上的偏见我预先表示歉意. 广义相对论一诞生,就被公认为是观念上的一次重大革命,它把我们的时空观从一种固定的框架变为一种动力学的实体,而     

宇宙是个放大镜

爱因斯坦广义相对论中关于"宇宙放大"的预言被证实 2005年是"爱因斯坦年"在全球科学界纪念爱因斯坦逝世50周年和爱因斯坦广义相对论提出100周年之际,参与"斯隆数字化巡天观测"的美国天文学家通过对大约20万颗类星体以及1 300万个星系的研究发现:爱因斯坦广义相对论中关于宇宙放大现象的观点的确有据可依,整个宇宙其实就是一个巨大的放大镜,光线是可以弯曲的.     

斯蒂芬·霍金的风采

正斯蒂芬·霍金走了。本期《世界科学》选载的三篇相关文章,出色地呈现了霍金的科学成就和学界对他的眷念。我仅见过霍金一面。那是1991年6月下旬,在日本京都举办的第6届格罗斯曼会议上。会议主题是广义相对论和宇宙学的新进展,各国与会代表达500余人。霍金首先在全体大会上做学术报告,并因"对了解时空奇点、宇宙的大尺度结构及其量子起源所作出的贡献"而荣获这届会议的个人奖。一个人病到这副模样,外貌上已全无"风     

动手验证广义相对论引力透镜效应

大家看到了本文的标题可能会感到一丝惊讶。像广义相对论这么前沿高深的科学理论，我们还可以动手去验证？的确，要想验证这一理论确实很难，而且需要很高的观测精度。对于我们普通人来说，这也许是不可能的事。那么，我们怎样利用中学生现有的条件来完成这个验证实验呢？首先，让我们了解一下广义相对论的引力效应到底是怎么一回事吧。     

引力波探测的科学意义

<正>前面所载三篇文章原刊于今年3月6日发行的美国《科学》杂志,系该刊为纪念爱因斯坦创建广义相对论100周年而发,其内容涉及引力波及其探测问题。爱因斯坦于1913年确定广义相对论的纲要,于1915年建成此理论体系,其总结性论文《广义相对论基础》则于1916年发表。1918年,爱氏凭藉对广义相对论的引力场方程积分的近似方法,推导得出引力场的平面波近似解,从而作出引力波存在的科学预言。但是,能否导出引力场波动的严格解,曾一度为人们所怀疑,甚至也引起爱氏本人的疑虑;1936年,爱     

人类对宇宙中黑洞的探索

前言人类对于宇宙结构、天体演化、宇宙起源等一系列极为壮观的科学和哲学问题的研究,与探索物质结构基元的原子论具有同样悠久的历史。从古希腊关于天体的优美神话开始,经过康德星云学说、哥白尼的日心说、开普勒行星运动三大定律、牛顿万有引力定律直到爱因斯坦广义相对论,宇宙的神秘面纱正在逐步被怀着巨大热情的人类揭开。科学研究的发展有时是出乎人们意料的。恒星天体演化后期的归宿之一是黑洞,近十多年来的研究表明,起源于研究天体的黑洞物理学,竟与研究物质的基本粒子理论在某些方面大有合流共进的趋势。这真是科学史上颇有戏剧性而又富有哲理性的奇观。今日的黑洞理论,建立在广义相对论、热力学、辐射理论、量子场论等最新物理理论的     

宇宙演化的奇思妙想

星空和宇宙的奥秘,自古以来吸引着人们,许多学者为探索这一奥秘的科学真理付出了毕生的心血甚至生命。1916年,现代物理学的奠基人爱因斯坦用广义相对论揭示了时间和空间的辩证关系;1919年,爱因斯坦又发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》一文,这篇论文成为现代宇宙学的奠基之作。     

对《广义相对论的前提分析与修正——兼论狭义相对论引力动力学》一文的几点看法

本文对甘为军同志《广义相对论的前提分析与修正—兼论狭义相对论引力动力学》一文中提出的观点,就建立理论的必要性、物质的概念、马赫原理、惯性质量与引力质量及“(?)”型动量场等问题提出了自己的看法。甘为军同志的《广义相对论的前提分析与修正—兼论狭义相对论引力动力学》一文,对广义相对论的理论体系进行了分析,对广义相对论以之为基础的基本概念和原理的合理性进行了论证,提出了狭义相对论引力动力学的逻辑体系,希望把它作为广义相对论和量子引力理论的更可靠的基础。我在阅读了甘为军同志的文章后,在几个问题上有些不同的看法,与甘为军同志讨论,并请甘为军同志指正。     

揭开宇宙奥秘的”钥匙”

<正>英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金曾表示:"引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。"由此可见,引力波探测对于天文学家和物理学家而言,有着至关重要的意义。首先,对引力波的研究可以加深物理学家对广义相对论的理解。广义相对论在对一些强引力天体系统的精确描述中,起到关键性的作用。在这些强引力系统中,牛顿力学不再适用,我们只能使用广义相对论来研究它们。通过对     

爱因斯坦的里程碑

<正>自阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论的近一个世纪以来,科学家们基于他的理论取得了喜忧参半的成果。1914年:相对论和第一次世界大战爱因斯坦向科学界投出了一枚重磅炸弹——广义相对论,这枚"炸弹"的威力要远胜于真实的炸弹。第一次世界大战极度地限制了科学家分享想法以及实施对于检验广义相对论的关键性实验。一战时期,当时在俄国前线任职炮兵军官的德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)就试图尝试对相对论的理论进行检验。史瓦西的工作描     

广义相对论和微分几何

我是作为一个微分几何学者来谈谈广义相对论令人惊佩的结构.如我所理解,广义相对论属于物理学,它的基础是物理实验.几何学的目标应该是研究空间.几何学的研究是由传统和持续性所指导的,其评价标准是数学的创造性、简洁、深刻以及它们的良好的结合和协调.因此几何学有更大的自由并可略事沉醉于想象中的课题.但是在历史上,它也曾被突然惊醒,发现这些抽象的对象一贯和现实密切相关.微分几何和广义相对论的关系就提供了这样的一个事例.     

美哉物理(二)黑洞、白洞交相衬映

黑洞,一种看不见的特殊天体,却蒙上了一圈又一圈的神秘"光环",令人捉摸不透、莫测其高深.公众谈论黑洞,不免带有几分猎奇的心理;科学家搜索黑洞,着眼于检验理论预言的正确性.我们则认为,黑洞探讨之所以成为热门课题,是因为它显露了广义相对论这块"美玉"之微瑕;为促使时空理论的新世纪发展,冀望由此而找到合适的突破口.诚然,瑕不掩瑜,广义相对论历来被赞誉成"理论物理中最典雅的艺术杰作".     

广义相对论将再次经受实验考验

美国斯坦福大学研制一种人造卫星专用随航装置。引力仪-B”来检验两种至今末被证实的广义相对论效应。所说的是旋转陀螺仪的变化过程。根据经典物理学定律,在转动时陀螺仪轴线方向在重力场中是不变的。但是根据广义相对论,它应该发生进动,因为转动发生在弯曲的时空中间。广义相对论曾     

封面说明

<正>"天空中最重的天体是看不见的",早在爱因斯坦提出广义相对论以前法国的数学家和物理学家拉普拉斯曾经这样说过.1916年德国的施瓦西(K.Schwarzschild)得到了第一个爱因斯坦引力场方程的精确解.它描述了一种特殊天体——黑洞.物质可以通过黑洞的边界(一个单向膜)掉入黑洞,而黑洞内的物质无法穿过这个单向膜跑到黑洞外.直到1967年"黑洞"这一术语才由美国的物理学家惠勒(J.Wheeler)提出,现在被广泛使用,它是广义相对论最惊奇的预言.一个大于3倍     

编者按

<正>2015年是爱因斯坦提出广义相对论100周年.广义相对论的提出是人们对时间、空间和引力本质认知质的飞跃.100年来,广义相对论经历了时间的考验,从亚毫米到太阳系的尺度,广义相对论得到了精确的检验.甚至在宇宙学的尺度上,该理论也得到了检验.广义相对论对引力理论、相对论天体物理和现代宇宙学的发展起到了极其重要的作用.广义相对论最惊奇的预言之一是黑洞的存在.现代天文观测表明银河系中就存在这种非常特殊的天体.     

广义相对论的新验证设计

爱因斯坦的广义相对论创立至今,已经先后经过了水星过日点进动、光线在太阳附近引力场中的弯曲、光谱的引力红移、雷达波传播途经太阳引力场往返时间的延缓、引力波的接收、爱因斯坦万有引力透镜观察星体的多重影像等几次实验检验。虽然说其中的有些检验精度不是很高,特别是引力波的重复接收实验至今未果,但是在检验条件允许的误差范围内,广义相对论所预言的几个效应还是存在的。不仅如此,爱因斯坦的广义相对论还直接导致了现代宇宙学的诞生。现代宇宙学的发展与广义相对论的验证紧密相连。现在,中国天体物理学家提出了"随宇宙初始的膨胀惯性,     

寻找宇宙中的反物质和暗物质

<正>人类从未停止过对宇宙的探索。西方科学传统中,最早建立的宇宙理论当属公元2世纪古希腊学者托勒密的"地心说",这一学说被信奉了1400年,影响深远。16世纪,哥白尼提出"日心说",按照库恩的说法,科学革命产生了。之后,人们的视野不断扩大,有了恒星世界、银河系等等概念。20世纪初,爱因斯坦的广义相对论和引力场方程开启了人类认识宇宙的新视野,现代宇宙学由此走向科学的前沿。也正是宇宙学与粒子物理学相交汇,大爆炸宇宙观得以产生和发展,不断揭示着宇宙起源及演化的奥秘。     

是到了抛弃相对论的时候了吗?

广义相对论的成功深深留在了我们的现代世界中.确实,大多数太阳系和天文现象仍然是以牛顿古老的万有引力理论计算的,但是,我们离开我们的GPS设备将不知身处何处,这种设备仅对广义相对论的影响做一次校正. 广义相对论已经在太阳系,以及引力场极强的脉冲星双星系统中经过高精度测试,但是,从来没有在引力很弱的大尺度下测试过.或许,在那里暗物质和暗能量的双重困窘遮掩了广义相对论的失败?