天驱物理科普时 年终篇——广义相对论浅说

    祝大家新年快乐!

    上一期，我给大家简单地讲了讲万有引力，在这一期，也是农历庚子年的最后一期，请各位准备好，思维盛宴即将开始！

Part1：引力？加速度？

    上一期介绍了万有引力，请牢记万有引力的本质：时空的弯曲，这场思维盛宴开始啦！

    爱因斯坦的电梯思维实验：

    在一栋摩天大楼上，有一个正在匀速下降的电梯。在该电梯内，有一个物理学家在做实验。突然，电梯的钢缆断了，于是，电梯便处于自由落体状态向地面降落（即，开始加速运动）。在降落的过程中，在该电梯内的物理学家，拿出两样物体，然后直接松开双手。各位想一想这两个物体会怎样运动吧，电梯外的观察者以地球作为参考系，他会发现：两个物体和电梯连同它的天花板、四壁、地面以及里面的实验者等，都以同样的加速度下落。而电梯里面的实验者则会以电梯作为参考系，因为引力场在这一参考系之外而不被考虑，他会发现两个物体由于不受到任何力的作用，而处于静止状态。在等效原理的帮助下，电梯思想实验告诉我们，引力场和加速度是相等的。广义相对论成功地拓展到了非惯性系中。

    请闭上眼睛再想一想这件发生在电梯里的神奇的事情，最终得出的结论也就是：引力和加速度是等效的，说白了，引力就是加速度，加速度就是引力，这俩是一回事。

Part2：爱因斯坦圆盘实验（刚性转盘，引力导致时空弯曲）：

    大家可能可能听说过刚性转盘，这里简单地说一下：

    让一个人测量转盘的半径，另一个人测量转盘的周长，根据狭义相对论，测量周长的尺子在运动方向上缩短了，测量出来的周长比实际长，而测量半径的尺子没有缩短，这样计算出来的圆周率不是 π，离圆心越远（半径越大）的地方测量这个差越大，本质上是向心力导致了空间弯曲，同样，在不同半径的地方测量时间，根据狭义相对论，半径越大的地方线速度越大，时间膨胀越厉害，本质上也是向心力导致了时间弯曲，结合起来，也就是引力导致时空弯曲。

 

Part3:水星的近日点进动问题：

 

    这个问题曾经一度是天文学界的难题，它主要是：对水星近日点进动的计算实际上主要是根据牛顿力学定律进行，结果是每世纪=5,557.62角秒的进动﹐其中的90%是由坐标系的岁差引起，其余的部分是由其他的行星摄动引起的，而实际观测值为 =5,600.73角秒﹐二者相减得每世纪 43.11角秒。

    

    为什么会造成如此原因呢？一开始人们认为是观测的误差，而随着人类的观察能力的提升，反而还越来越证明了这个问题的存在，而广义相对论认为引力的本质就是时空弯曲（这个上一期也提到了），所以当光经过太阳时，由于太阳强大的引力，而产生了曲折，也就是说，引力导致了太阳周围的时空弯曲，所以光也不再走的时直线了，而是一条曲线，因为在时空中，光必须要走最短的路径，而从外界的观察者看来这就是一条曲线，因此产生了理论值和实际值的误差。

 

    天文学家利用日全食，成功地拿到了观察数据，最终这和爱因斯坦的广义相对论的预言值完全一致！这件事直接的地证实了广义相对论。

 

重头戏：黑洞：

 

    黑洞，是广义相对论语言的，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，以至于事件视界内的逃逸速度大于光速。也就是说，连光都无法从黑洞中逃脱出来。

 

    黑洞虽然不能直接观测到，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响：利用物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出x射线和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹来得出，还可以取得其位置以及质量。

 

施瓦西半径：

 

     1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值，其周围会产生奇异的现象，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这个定值称作史瓦西半径。它的公式很好记：

 

R＝2GM/c²（其中，R代表施瓦西半径，G代表牛顿常数，M代表质量，c代表光速）

 

黑洞照片：

   

    北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。而广义相对论被证明在黑洞里仍然成立。

 

这就是那张传遍世界的图：

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文章到此结束啦！

再次祝大家新年快乐，阖家辛福！

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