求物体的质量使空间弯曲的完整理论

求物体的质量使空间弯曲的完整理论
求物体的质量使空间弯曲的完整理论

求物体的质量使空间弯曲的完整理论
爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲.我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些,虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的,但其中央仍稍有下凹.如果在弹簧床中央放置更多的石块,则将产生更大的效果,使床面下沉得更多.事实上,石头越多,弹簧床面弯曲得越厉害.
同样的道理,宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变.正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害地多.
如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动,它将沿直线前进.反之,如果它经过一个下凹的地方 ,则它的路径呈弧形.同理,天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进,而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进.
爱因斯坦广义相对论中的内容,他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因.还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的,利用数学,爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲,在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时,这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物,即使是光线,也改变路径.广义相对论指出,时空曲率将产生引力.当光线经过一些大质量的天体时,它的路线是弯曲的,这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率.因为黑洞是极大的质量的浓缩,它周围的时空非常弯曲,即使是光线也无法逃逸.
爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空.爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒.广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点.广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转.1919年,在英国天文学家爱丁顿的组织下,英国派出了两支远征队分赴两地（一支到南美洲巴西的索贝瑞尔(Sobral),由戴森亲自领队；一支到非洲西岸的普林西比岛(Principe),由爱丁顿领导）观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转.
爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说,又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性,但是他发觉自己进退维谷.关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成,那么按照万有引力定律,它就会受别的物质影响,果若如此,光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒定呢?
这个矛盾当然应归根于引力.引力在宇宙中无处不有,并使所有物质加速,而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的.爱因斯坦很清楚这个症结,并认识到,要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调,首先必须重新理解“力”的概念本身.
牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性,用以量度每个物体所能产生的引力.此外,牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为.牛顿第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；牛顿第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F=ma）；牛顿第三定律陈述作用力与反作用力的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）.所以,力是使物体偏离其惯性运动的原因.物体总是反抗对其惯性状态的改变,这种反抗由其惯性质量来量度.按照这个思路,万有引力同其他任何力一样,也是一种力,而引力质量之于引力恰如电荷之于电力.
我们知道,惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速,因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等.但是,伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质,正是地心引力同样地加速所有物体,而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关.一片羽毛、一个分子或是一块砖,在地球表面附近释放后都同样具有约9.8米/秒的加速度（也就是说,假如没有空气阻力,它们的速度每秒钟都增加9.8米/秒,在第一秒末是9.8米/秒,在第二秒末是19.6米/秒,等等.这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）.
这意味着,不仅根本不存在“引力中性”的物体,而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷.这只有在引力质量与惯性质量严格相等时才可能.这种相等性于是被接受为一条公理,称为等效原理.这种相等起初被认为只是近似的,后来却经受住了整个科学史上最高精度的核查.
匈牙利男爵罗兰·万·厄伍（Lorandvon E6tvbs）先在1889年,后又在1922年对等效原理作了验证,精度达十亿分之一.检验精度已经提高了1000倍.由于一个物体中的所有能量都对惯性质量有贡献（把电子和核束缚在原子中的电磁能就很显然）,我们就能得出结论：所有能量都有重量,尤其是,光也有重量.
爱因斯坦意识到,等效原理是理解引力的关键.引力与电磁力大不相同,包括进引力,将给狭义相对论带来实质性的扩充.让我们来进一步考虑等效原理的物理意义.
在爱因斯坦看来,引力质量与惯性的等效只是一个更强得多的等效性的弱形式,而强等效性是把均匀引力和加速统一起来.爱因斯坦指出：
1.任何加速都相当于引力：一个坐在加速度与地心引力（即g=9.8米/秒）相等的飞船里的人感觉不出与站在地面上有什么区别.
2.引力的作用可以通过选择一个适当的加速参考系来消除.他的著名例子是一架突然断了缆绳的电梯,其中的人将觉得失重,与在太空中已脱离地球引力的人的感觉一样.我们在这里看到引力与自然界所有其他的力（如电力）之间的巨大差异.不可能用加速来冒充电力,因为一个电场中的物体并不受到同样的加速,加速度与物体的电荷有关.准确地说,引力实际上不是一种作用于时空中的不同物体之间的力,而是时空自身的一种性质.引力对人们早已熟悉的时空结构摧毁性地入侵的结果,就是广义相对论.