广义相对论和引力理论的变革--相对论百年札记之二

发端于百年前的爱因斯坦相对论体系。包括狭义相对论、广义相对论和宇宙论，引起有关空间和时间、物质和运动、引力和宇宙等领域一系列重大进展。当前这个体系却面临着变革。有关暗宇宙观测数据的分析，是以爱因斯坦场方程和宇宙学原理为基础的。然而，结果却向以相对论和量子理论为基础的现代物理学提出重大疑难。这是物理学面临的空前挑战。     

引力:1687-2001

20世纪初,科学是否会终结,曾是一个活跃的议题.回眸20世纪,科学进步非凡.然而,有人却又一次认为科学将走向终结.<科学美国人>专职撰稿人霍根(J.Horgan)在<科学的终结>一书中,从进步的终结到机械科学的终结,一共讲了九个方面的终结.他宣称,科学家"在面对认识的限度"时,"更像常人一样,易受到自己的恐惧和欲望的左右".这种剪不断、理还乱、闷无端的科学悲观论调,遭到许多科学家的反驳.天体物理学家施拉姆(D.Schramm)斥之为"一派胡言".诺贝尔物理学奖获得者温伯格则预言50年后物理学将发生根本变革.     

广义相对论中引力传播速度的测量问题

牛顿万有引力定律认为引力场的传播不需要时间, 是瞬时相互作用, 而广义相对论认为瞬时相互作用是不存在的. 因此, 在观测和研究引力潮汐时, 牛顿万有引力定律是否需要修改是一个值得探讨的问题. 本文说明在现有的广义相对论框架下, 牛顿引力定律是完全适用的. 后牛顿近似计算的结果表明, 引力传播速度的可观测效应与物体运动速度的大小无关, 只依赖于物体运动的加速度. 一般来说, 这一可观测效应非常微弱, 目前的任何天文观测, 包括太阳潮汐观测均不能证实引力传播速度与光速相同.     

爱因斯坦相对论的古怪逻辑

1905年，当26岁的爱因斯坦还是一个名不见经传的瑞士专利局职员时，他就完成了五篇论文，其中一篇《论动体的电动力学》是关于狭义相对论的。1916年，他又发表了内容更加精深的广义相对论。这些都是划时代的文献，通过它们，爱因斯坦用崭新的相对论“时-空”观替代了牛顿的经典“时-空”观。相对论问世以后，在科学界引起巨大反响，许多著名物理学家和天文学家纷纷研究它、应用它。如今，经过全世界科学家的广泛研究和发掘，相对论得到了巨大的发展，而且还衍生出了许多有趣的故事。本文介绍其中最著名的“孪生子佯谬”、“外祖母佯谬”等，同时也对“时间旅行”和爱因斯坦本人作简要介绍。[编者按]     

爱因斯坦真的发现了“E=mc^2”吗？

一、引言大量的书籍和文章已经展示:狭义相对论并非某个天才单独抢先彻底完成了的工作,而是由许多科学家逐步完成的,其中洛伦兹,彭加莱和爱因斯坦做出了决定性的贡献。然而,最引人注目的相对论的结果之一,方程式E=mc~2却通常很紧密地与爱因斯坦联系在一起。似乎许多人与他的发现无关,只是他的卓越成就的一个适当的符号。直到最近,对爱因斯坦对于那个方程式的首次推导的正确性还有激烈的争论。赫伯特·爱维斯在1952年的论文中提出了两点来反对给予爱因斯坦对E=mc~2的荣誉:(1).爱因斯坦并非首次提出这个思想的人;(2).爱因斯坦1905年的论文是有缺陷的。在那篇论文中,他“引入了……正     

引入宇宙常数是爱因斯坦毕生最大的错误吗？

本文对引人宇宙常数∧的历史作了较详细的考查,并对它在现代宇宙论和量子场论中的作用作了简单介绍。     

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,     

爱因斯坦引力理论中非线性标量场的虫洞解

198 7年霍金首先提出的虫洞是极早期宇宙中联系两个不同拓扑的时空的瞬子解[1 ,2 ] .瞬子把两个不同拓扑的时空通过量子隧道效应联系起来 .这种虫洞在量子宇宙学、弦及量子引力理论中起着很重要的作用 .关于引力理论中弦及Ｂｒａｎｅｓ理论的研究告诉我们 ,Ｂｒａｎｅｓ的低能等效场是非线性Ｂｏｒｎ Ｉｎｆｅｌｄ型的[3 - 7] ,在研究了Ｂｏｒｎ Ｉｎｆｅｌｄ(Ｂ Ｉ)标量场的量子宇宙波函数[8] 以后 ,接着就要研究的是非线性Ｂ Ｉ标量场的虫洞解 ,本研究在标量场变化率 ( φ)很小及很大两个极限条件下求出了虫洞解 .在 φ很小时 ,求得虫洞…     

爱因斯坦在1905年

编者按:爱因斯坦在1905年连续发表5篇重要论文,为建立相对论等奠定了理论基础.因此1905年也被称为爱因斯坦奇迹年.为了纪念他的功绩、国际物理学会将100年后的2005年确定为国际物理学年.为此,我刊从美国作家约翰·梅纳德·史密斯(John Maynard Smith)著的It Must Be Beatuiful--Great Equations of Modern Science, Granta Publication,2002,(其中译本<自然科学中的优美理论和伟大公式>将由上海科技教育出版社出版)的第6章中选录几段,介绍了爱因斯坦导出质能公式的经过以志纪念.以下章节由吴俊、冯承天译(本文题目和小标题由编辑拟加).     

脉冲星发现40年——爱因斯坦预言引力波的验证

2007年是脉冲星发现40周年,其间,诺贝尔物理学奖曾两次光顾脉冲星的发现,其原因何在？爱因斯坦关于引力波的预言是如何被验证的？脉冲星发现者的举世成就和诺贝尔奖的是非恩怨再次成为关注话题.     

《微分几何入门与广义相对论》

本书（上册）共10章．前5章讲授微分几何入门知识，第6章以此为工具剖析狭义相对论，第7～10章介绍广义相对论的基本内容．本书强调低起点（大学物理系本科2～3年级水平），力求化难为易，深入浅出，为降低难度采取了多种措施．     

培育下一个爱因斯坦

就美国目前对基础研究投资不足以及采取的限制性移民政策,美国参议院能源教育和儿童早期发展专门委员会主席拉玛尔·亚历山大撰文指出,美国该如何——一切革命开始时都有一个萌芽的时刻。今年,我们将庆祝科学史上最伟大的事件之一:阿尔伯特·爱因斯坦1905年发表其具有里程碑意义的论文相对论和质能相当理论100周年。现在探讨这些理论的影响,我们必须扪心自问,我们国家为点燃新科学革命的星火做了些什么。我们是不是在培育下一个爱因斯坦?十分遗憾,回答是否定的。美国政府对基础研究投资的不足以及对移民的限制性政策,正在毁损美国的科学领导…     

银河系星团证实爱因斯坦理论

要想测试一下万有引力的存在是一件很简单的事。你只要从二楼的窗口迈出去,看看会发生什么事就知道了。测试阿尔伯特.爱因斯坦的重力理论——即广义相对论则是一件非常麻烦的事。该理论告诉我们一个物体的重量与它周围的时-空密切相关,不可分隔。虽然在太阳系的范围里,研究者们已经证明了     

爱因斯坦的勇气

在这个“纪念”的年份,爱因斯坦是关键词。因为他,联合国将2005年确定为“国际物理年”——100年前,26岁的爱因斯坦连续发表5篇论文,推出相对论和量子理论。从此,一切都不同了,而那一年,人们管它叫“奇迹”。爱因斯坦的科学思维来自他对世界一种纯真的看法,他相信可以用“思想的实验室”来建立对真相的简单描述。孩童般纯净的视角,甚至使他对人类政治也抱以乐观的态度。那个时候的欧洲,也的确弥漫着阳光般的情绪。关于“人类进步”、“理性胜利”的神话不断被续写,知识界一派欢欣鼓舞——直到第一次世界大战将他们抛入前所未有的困惑之中。…     

四十五载弹指去引力实验终起飞

1959年 ,部分对阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)的广义相对论持不同意见的科学家 ,同时也承认这是一个绝妙的思想。当年 ,三位斯坦福大学的科学家在游泳池嬉水时达成一致 ,同意组队协作 ,共同来深入研究的这一理论的奇妙核心。路漫漫其修远兮45年后的今天 ,在耗资7亿美元后     

求证爱因斯坦的天才预言--引力波

20世纪杰出的物理学家爱因斯坦提出的相对论,揭示了空间——时间的辨证关系,加深了人们对物质和运动的认识,改变了人们对世界、对宇宙的看法,为现代科技的发展奠定了坚实的基础。但爱因斯坦所有的天才预言,并不是全都已经得到了实验的证实,比如相对论中提出的宇宙间的引力波,就至今未找到直接的证明。