广义相对论：揭秘空间奥秘的百年理论

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广义相对论：揭秘空间奥秘的百年理论

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光明网

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来源

https://kepu.gmw.cn/2024-04/16/content_37266750.htm

https://www.163.com/dy/article/JEKQS5PG0511A3AG.html

https://opt.cas.cn/kpyd/kpwz/202401/t20240129_6961117.html

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_28704043

https://wap.sciencenet.cn/blog-38228-1459172.html?mobile=1

https://www.163.com/dy/article/JA1QDG470511A3AG.html

https://pansci.asia/archives/129942

http://www.news.cn/globe/2024-03/21/c_1310768008.htm

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，这一理论彻底改变了人类对空间和时间的理解。在广义相对论中，空间不再是空无一物的背景，而是可以被物质弯曲的动态连续体。这一革命性的观点，经过一百多年的验证，已经成为现代物理学的基石之一。

时空弯曲：广义相对论的核心观点

在牛顿的经典力学中，空间和时间是绝对的、独立的。但爱因斯坦的广义相对论提出，空间和时间是一个统一的整体，称为“时空”。更重要的是，物质的存在会弯曲周围的时空，而物体的运动则受到这种弯曲时空的影响。

这种时空弯曲的观念彻底改变了我们对引力的理解。在广义相对论中，引力不再是一种超距作用，而是时空结构本身的表现。一个经典的比喻是：想象一个弹性布上放着一个重球，重球会使得布面弯曲，而其他小球在布面上的运动轨迹也会因此改变。同样，太阳这样的大质量天体弯曲了周围的时空，地球等行星沿着弯曲的时空轨迹运动，这就是我们所感知的引力。

从原子钟到引力波：广义相对论的实验验证

广义相对论提出后，科学家们一直在寻找各种方法来验证这一理论。以下是几个关键的实验验证：

原子钟实验

1971年，物理学家哈费勒和基廷进行了一次著名的实验。他们将四台铯原子钟放在飞机上，分别向东和向西环球飞行，然后与地面上的原子钟进行对比。实验结果惊人地证实了广义相对论的预测：在较低的地方时间流逝得更慢，而在较高的地方时间流逝得更快。向东飞行的飞机时间比地面慢了约59纳秒，向西飞行的飞机时间则比地面快了273纳秒。

GPS导航系统

我们每天都在使用的GPS导航系统，实际上就是广义相对论的一个直接应用。GPS卫星上的原子钟需要进行相对论修正，否则每天的定位误差将高达11公里。这种修正包括两个方面：一是由于卫星速度较快导致的时间延缓（狭义相对论效应），二是由于卫星处于较弱的引力场导致的时间加快（广义相对论效应）。

引力波探测

2016年，LIGO科学合作组织宣布首次直接探测到了引力波，这是广义相对论的又一个重大预言。当两个黑洞或中子星相互绕转并最终合并时，会产生强烈的时空涟漪——引力波。这些引力波以光速传播，当它们经过地球时，会被极其精密的激光干涉仪探测到。LIGO探测器通过测量激光干涉条纹的变化，成功捕捉到了来自13亿光年外的引力波信号。