廣義相對論百年：牛頓力學怎樣被愛因斯坦推翻

100年前，愛因斯坦發(fā)表了用幾何語言描述的引力理論——廣義相對論。廣義相對論闡明了物體的質(zhì)量使時空（時間和空間）扭曲，扭曲的時空產(chǎn)生了使物體互相吸引的引力的道理。那么，這一偉大理論是怎樣誕生的呢？

1915年11月25日，一位天才物理學家提出了一個顛覆人類常識的大理論——廣義相對論。簡單地說，廣義相對論就是這樣一條理論：任何一個物體的重量（質(zhì)量）都能引起時空的扭曲，產(chǎn)生引力。

那么，天才物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）是如何建立這個偉大理論的呢？

改變物理學的“狹義相對論”

在廣義相對論誕生大約10年前，1905年，愛因斯坦發(fā)表了“狹義相對論”。狹義相對論極大地改變了當時物理學對時間和空間的認識。

英國物理學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1642～1727）確立的物理學基礎—牛頓力學認為，空間的間隔（物體的長度）和時間的流逝是絕對的，從任何時間點、對任何觀察者來說都是一樣的。即，1米的尺，任何時候、任何人看都是一樣長的；1秒，任何時候、在宇宙的任何地方經(jīng)過的都是1秒。

但是，狹義相對論認為，物體的長度和時間的流逝，是隨著不同的狀況變化的。運動越快的物體長度越短，時間流逝得越慢。

取代牛頓力學的“廣義相對論”

狹義相對論和牛頓力學之間有很大的矛盾。根據(jù)狹義相對論，自然界的最高速度是真空中的光速，每秒為30萬千米。而牛頓力學認為，所有物體之間，都有與之成正比例的“萬有引力”互相吸引（萬有引力定律）。并且無論兩個物體離開多遠，這個萬有引力的相互作用都不需要花時間。也就是說，力的傳遞速度比光速還要快。

實際上，已經(jīng)觀測到用牛頓力學解釋不了的自然現(xiàn)象。牛頓力學的毀滅就在眼前。

因而愛因斯坦就想，能不能把引力和相對論結合起來。在重組相對論的過程中，他采用了自己的老師、德國數(shù)學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski，1864～1909）提出的時空理論，把時間和空間結合在一起。這樣，就提出了前所未有的、物體的質(zhì)量使得周圍的時空發(fā)生扭曲的新概念。為了研究扭曲時空，需要曲面數(shù)學。因此他接受了共同研究者、數(shù)學家馬塞爾·格羅斯曼（Marcell Grossmann，1878～1936）的提議，不用歐幾里得幾何學（Euclidean geometry，在平面和非扭曲空間上研究圖形的數(shù)學），而是用研究曲面上圖形的黎曼幾何（Riemannian geometry）進行研究。

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