有谁懂爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论?懂的话可不可以简单而形象给我解释解释?

有谁懂爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论?懂的话可不可以简单而形象给我解释解释?
有谁懂爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论?懂的话可不可以简单而形象给我解释解释?

有谁懂爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论?懂的话可不可以简单而形象给我解释解释?
广义相对论
general theory of relativity
阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期发展的引力理论,于1915年提交给普鲁士科学院.因为引力是总体宇宙中占优势的力(多亏它极长的作用程),这一引力理论也是宇宙学的理论,它是有关宇宙如何演变到今天模样的一切现代模型的支柱.
1905年发表的爱因斯坦狭义相对论处理的是匀速直线运动物体之间的动力学关系,它不涉及加速度,或者说不涉及引力,因此才把它称为‘狭义’(意指‘有局限的’)理论.爱因斯坦一直想把他的理论推广到处理加速度和引力,但他用了10年时光才找到一种对宇宙及其中一切事物动力学的圆满数学表述(当然不是10年时间全部给了广义相对论).幸而,我们不必通过数学也能懂得爱因斯坦理论,因为用几何学和物理图像就能把它解释清楚.
确实,爱因斯坦理论的全部论点就是描绘一幅引力如何起作用的物理图像.艾萨克·牛顿发现了引力的平方反比律,却公开声称不能解释为什么引力遵守平方反比律(‘hypotheses non fingo’,译注：拉丁文,意为‘不需要假说’.).广义相对论也认为引力遵守平方反比律(极端强大的引力场除外),但说明了为什么应该如此.这就是爱因斯坦理论比牛顿理论优越之处,它实际上包含了牛顿理论,在除极强引力场外的一切问题上给出与牛顿理论同样的‘答案’.
两个关键性的物理见解将爱因斯坦引向了广义相对论；也有助于我们理解广义相对论的物理内涵.第一,爱因斯坦领悟到,如果有人从高楼顶掉下,他们在碰到地面之前根本感觉不到引力(忽略这一简单情景中的空气阻力).他们是失重的——就是我们所说的自由下落.换言之,下落的加速度准确地抵消了引力,或者说,加速度和引力是等效的(1907年爱因斯坦首次以这种方式表述的等效原理).
第二个物理见解将这种等效性扩展到引力对光的影响.现在他想像的不是从楼顶掉下的人,而是一间缆绳断裂、一切安全装置全失效、因而在井道中自由下落的无窗电梯.根据等效原理,电梯间内部的物理学家,尽管配备了物理实验室全部常用仪器,也无法辨别电梯间究竟是在加速走向与地面发生不愉快碰撞,还是在宇宙深处自由漂浮.
那么,对于从下落电梯间的一边照射到另一边的光束,会发生什么情况呢?在失重的‘房间’内,牛顿运动定律必定适用,光束必定从电梯间的一边沿直线传播到另一边.现在请想像,对电梯间外面的人来说,情况会怎样.假设电梯间 的墙壁是玻璃的,光束路径用电梯下落时经过的每一层的灵敏仪器进行测量.由于‘失重’电梯间和它内部的一切真正被引力加速,在光束通过电梯间的时间内,下落的电梯间已经增加了它的速率.光束从一面墙上的一个点出发后,要想击中第二面墙上与出发点正好相对的点,惟一的办法就是沿曲线传播,向下弯曲以配合电梯间速率的增加.而惟一能造成这一弯曲的东西就是引力.
于是爱因斯坦推想,如果引力和加速度精确等效,引力就必须使光线弯曲,弯曲的准确数量可以计算出来.这个结论并不完全出人意外：把光看成微粒流的牛顿理论也认为光束会被引力偏折.但在爱因斯坦理论中,预言的光线偏折在数量上正好两倍于按照牛顿理论的值.当1919年日食期间测量了太阳引力造成的星光弯曲,发现它符合爱因斯坦而非牛顿理论时,广义相对论被欢呼为一大科学胜利.
在那之前,爱因斯坦提供了一幅光线弯曲如何发生的物理图像.设想用一张拉紧的橡皮(就像一张蹦床的表面)代表空无一物的空间(严格说是时空).在这样一个表面上,你可以用滚过表面的弹子代表光线；它们沿直线传播,适用欧几里得几何学规则.现在设想在橡皮表面上放一个重物(如一个保龄球)代表太阳.橡皮表面被重物压弯曲,如果将一颗弹子在表面上滚,其轨迹在沿重物周围曲线运动时将在‘太阳’近旁弯曲.这种曲线轨迹是变形橡皮表面的弯曲空间中的短程线,而曲面上的几何学规则是非欧几何学规则.爱因斯坦说,物质的存在引起四维时空发生与此等效的弯曲.于是,时空的曲率影响通过弯曲时空区的一切东西(包括光和行星)的运动.这种情景被总结成一句简洁的格言：‘物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动’.
关于这一图景,有一点很重要但有时引起误解.我们处理的不止是弯曲空间(不管上述格言如何说!),而是弯曲时空.例如,地球绕太阳的轨道在空间形成一个封闭环,而地球被太阳的引力保持在它的轨道上.如果你想像这个封闭轨道代表着太阳引起的空间曲率,你就可能得出太阳周围的空间本身是封闭的结论——这显然不是真的,因为太阳不是一个黑洞,光(和其他东西)也能够逃离太阳系.
实际情况是,太阳和地球两者都在沿自己的世界线通过四维时空,这种描述是赫尔曼·闵可夫斯基在1908年最早提出的.在这一描述中,时间和空间在几何学上是等效的,两者通过数值等于3亿米每秒的光速相联系.所以,每一秒钟时间等效于时间方向上的3亿米.地球和太阳通过时空从过去进入未来的运动方向几乎相同,在四维时空中,地球绕太阳的轨道不再是一个封闭环,而是一个环绕太阳世界线的拉得很长的螺旋线.
我们现在从另一角度来看这个问题.光线从太阳传播到地球需时约8.3分钟,所以地球轨道的周长约52光分.但地球沿轨道运行一周实际花费的时间不是52分钟,而是一年(525,600分钟)——在这一时间内地球已经沿它的世界线在时间方向上足足运动了525,600分钟,这等于它在空间的等效行程的10,000倍和从地球到太阳的等效‘距离’的63,000倍.因此,地球绕太阳的四维‘轨道’是一根高度比半径大63,000倍的又长又细的螺旋线.
广义相对论做出了很多已经通过多次实验检验的预言,其中包括光线偏折、水星的近日点进动、引力红移和引力时间膨胀.它在所有检验中均大获成功,而最辉煌的胜利是它对脉冲双星观测表现的解释.广义相对论无疑是宇宙物质行为以及空间、时间和物质之间关系的完美而精确的描述.如果还能有所改进的话,那么任何更好的理论必须把广义相对论包括在内,就像广义相对论包括了牛顿引力理论一样.
当爱因斯坦用他的广义相对论方程式描述总体宇宙行为时,他惊奇地发现他那纯理论形式的方程式不允许宇宙成为‘静态’的——它们表明,随着时间的流逝,空间要么收缩,要么膨胀.可那时,在1917年,宇宙被认为是静止的.这导致爱因斯坦引进一个附加项——宇宙学常数——以保持宇宙静止.但几年以后,人们领悟到我们确实居留在一个膨胀宇宙中,宇宙学常数是不需要的.这一发现也可以看成对广义相对论预言的证实,尽管爱因斯坦本人最初进行计算时未能领悟到它的意义.
是广义相对论告诉我们宇宙是如何从一个初始奇点演变出来的,而这意味着宇宙确实诞生于一种超密状态——大爆炸.