广义相对论为什么这么厉害?

相对论(Theory of relativity)是关于时空和引力的理论,由爱因斯坦创立,依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了现代物理学的基础。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。不过近年来,人们对于物理理论的分类有了一种新的认识——以其理论是否是决定论的来划分经典与非经典的物理学,即“非经典的=量子的”。在这个意义下,相对论仍然是一种经典的理论。
在狭义相对论发表以后,在受到学术界赞扬的同时还存在着一些的反对意见,虽然爱因斯坦一开始并没有认为是自己的理论产生了问题,但随后他便认识到了狭义相对论中的却存在着问题。狭义相对论中面临着两个极为严重的问题:一是“惯性系无法定义”;二是“万有引力定律不能写成洛伦兹协变形式”。于是爱因斯坦想到:既然惯性系无法定义,那么直接取消它在相对论中的特殊地位,于是,他讲相对性原理推广到任意参考系,成为了广义相对论原理:一切参考系都是平权的,物理定律在任何坐标系下形式都是不变的,即具有广义协变性。
广义相对论是现代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人自1907年开始发展,最终在1915年基本完成。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律与狭义相对论加以推广。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。
广义相对论是一个关于时间、空间和引力的理论,它指出万有引力不同于一般的力,而是时空弯曲的几何效应。爱因斯坦最早提出等效原理,并猜测万有引力的几何起源,他又引入了不为当时物理学家所熟悉的黎曼几何作为自己理论的数学工具,并最终给出了广义相对论的基本方程——场方程,从而构建起广义相对论的理论大厦。爱因斯坦被称为20世纪最伟大的科学家,他以及他所建立的广义相对论深刻影响着物理学乃至数学的发展,更是科学史上观念性的重大变革。广义相对论是爱因斯坦历经十年独立思考后的纯粹理性之巅峰之作,一个伟大的理论仅由一个人创建起来,这在科学史上是少见的,爱因斯坦也因此备受赞誉。
经过了一百多年的发展,广义相对论对现代物理学尤其是现代宇宙学产生了极其深远的 影响。科学家们不断地用广义相对论来探索宇宙的大尺度结构,在宇宙演化、黑洞、暗能量、时空理论等方面的研究更是成为了当今物理学的热门。广义相对论也被不断的应用于天文学、天体物理学、天体力学、天体测量学等诸多领域。正是通过爱因斯坦的广义相对论,让人们对于宇宙的图景有了更广阔的认识。
广义相对论还在一定程度上促进了几何学的发展,例如,整体微分几何、流行理论以及黎曼几何等等,同时,在广义相对论的基础上更是催生了大统一理论(GUT),虽然其在如今还未获得成功,但是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用已经分别被量子色动力学(QCD)、格拉肖-温伯格-萨拉姆弱电统一模型(GWS)很好的描述,并且被统一在了标准模型中。由于目前对于引力量子化并没有很完善的解释,所以要想将其与其他三种作用力完全的统一起来依旧有很长的路要走。
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