1905年,爱因斯坦完成了狭义相对论,但是对其结果并不太满意,原因是爱因斯坦无法将牛顿提出的“万有引力”纳入狭义相对论的框架之中。
牛顿认为,无论两个物体之间的距离多么远,万有引力都能够瞬间传播(就是说引力的速度无限大),这一点与爱因斯坦的狭义相对论相矛盾,狭义相对论认为任何信息的传播速度,都无法超过光速(光速是宇宙中最快的速度)。
于是爱因斯坦开始尝试将引力纳入狭义相对论中,在1915~1916年成功的发表了广义相对论,狭义相对论的“狭义”就是表示无法纳入引力等,只适合特殊情况,广义相对论则将这一理论改善和普及,使其适用于任何情况。
牛顿万有引力定律认为:任何两个物体之间都存在相互吸引的力,且万有引力的大小与物体的质量和距离有关。
但是,万有引力为什么存在,万有引力定律对此没做任何解释,广义相对论则指出:引力是由时空(时间与空间)弯曲产生的,这种弯曲将使的从它旁边经过的任何物体,即使是光线也要改变路径,也就是“时空弯曲”。
时空弯曲会引起很多的神奇现象,比如“引力透镜效应”:遥远星系等发出的光在靠近地球一侧天体,在地球的引力的作用下会发生弯曲,看上去会产生变形,或者更加明亮,这一现象具有聚光的作用,因此有时候能够看到在通常情况下无法看到的遥远星系。
爱因斯坦在广义相对论中,认为引力是因为时空弯曲所产生的,也就是说,引力不仅能导致空间弯曲,还能改变时间的快慢。
比如一道光线经过一颗大质量星体附近时,大质量星体所造成的时空弯曲,使得这道光线的行进发生弯曲,而光速是恒定不变的,光线弯曲意味着光线内侧的距离变短,内侧距离变短意味着内侧的时间也必须变慢,实际上引力越大的地方时间流逝的越慢。
1960年,美国物理学家罗伯特.庞德和格伦.里贝卡通国实验首次验证了广义相对论说的时间差:在22.6米的高度差内,每秒有0.00000000000000024秒的时间差。
2010年,美国立标准技术研究所的研究团队成功测量出33厘米高度差内的时间差,每年仅为7000亿分之一秒。
在现代生活中,GPS(全球卫星定位系统)已经是日常生活中,必不可少的工具了,GPS卫星的飞行速度大约为每小时1.4万千米(每秒大约4000米),根据狭义相对论,GPS卫星上的时钟每天大约比地面时钟慢120微秒。
由于GPS卫星距离地面大约两万千米的高空中,受到地球的引力比地面小,根据广义相对论,GPS卫星上的时钟每天大约比地面时钟快150微秒。
综合结果是,GPS卫星的时钟,每天大约比地面上的时钟快30微秒,换算为距离,相当于大约10千米,因此,为了得到准确的定位,消除相对论效应所导致的时间差,就必须事先对GPS内的时钟加以修正。
广义相对论认为,当时空弯曲无限大时,会形成一个连光都会被吞噬,而无法逃脱的区域,1967年,美国物理学家约翰.惠勒将这一天体命名为“黑洞”,在黑洞的表面,时间是停止的。
广义相对论认为,黑洞和中子星(几乎全部由中子组成的密度极高的天体)等超高密度物体运动时,会导致的“空间波动”会像水面泛起的波纹那样向四周扩散,被称为“引力波”。
黑洞或者中子星合并时,会发出强烈的引力波,引力波会导致空间波动,波动的大小因距离而不同。
在地球到太阳这么长的距离内,一般引力波所导致的空间波动只有一个原子大小,很难被直接探测到,引力波被称为“爱因斯坦最后的预言”。
2016年2月11日,美国引力波探测站LIGO直接探测到了时空波动~引力波。
引力波源在大麦云所在方向,距离地球大约13亿光年,分析结果表明,这次探测到的引力波,是由两个互相缠绕的黑洞逐渐靠近,最后碰撞合并到一起所产生的。
发生碰撞的两个黑洞的质量,分别是太阳质量的36倍和29倍,合并后的黑洞的质量是太阳的62倍,就是说,两个黑洞在合并成为一个黑洞的过程中,损失了3个太阳的质量。
根据质能转换公式,E=mc2(平方),损失的那3个太阳的质量转化为巨大的能量,以引力波的形式被释放到宇宙空间,这次探测到的空间波动为1毫米的1万亿分之1的100万分之1(10的负16次方毫米)。
在广义相对论诞生之前,我们的宇宙是如何诞生的,这个问题,几乎没有人从科学角度讨论这个问题,甚至爱因斯坦也认为宇宙是没有起点的。
但是,广义相对论表明,空间并非是不变化的,具有质量的物体会导致周围的空间弯曲,1922年,前苏宇宙物理学家亚历山大.弗里德曼将广义相对论应用于整个宇宙,从而推导出整个宇宙空间可以膨胀或者收缩。
基于宇宙空间能够变化这一观点,才诞生了真正意义上的“宇宙学”,人类才开始探索宇宙的诞生、演化和未来。
欢迎您继续与本系列文章一起,探索宇宙的终极秘密。。