相對論

本文是關於科學概念的。有關相對論的哲學或本體論理論，請參見相對主義。對於無聲電影，請參閱愛因斯坦相對論.
合併的視頻模擬GW150914，顯示時空當黑洞軌道和合併時，重力失真

這相對論通常包含兩個相互關聯的理論艾爾伯特愛因斯坦：特殊相對論和一般相對論，分別於1905年和1915年出版。[1]在沒有的情況下，特殊相對論適用於所有物理現象重力。一般相對論解釋了引力法及其與自然力量的關係。[2]它適用於宇宙學和天體物理領域，包括天文學。[3]

理論改變了理論物理學和天文學在20世紀，取代了200歲力學理論主要由艾薩克·牛頓.[3][4][5]它引入了包括4-的概念尺寸時空作為統一實體空間和時間，同時性的相對論，運動學和引力時間擴張， 和長度收縮。在物理領域，相對論改善了科學基本顆粒以及他們的基本互動，以及迎來的核時代。相對論，宇宙學和天體物理學預測非凡天文現象如中子星，黑洞， 和引力波.[3][4][5]

發展和接受

主要文章：特別相對的歷史和一般相對的歷史

艾爾伯特愛因斯坦出版了特殊相對論1905年，建立了許多理論結果和經驗發現。阿爾伯特·A·米歇爾森（Albert A. Michelson），Hendrik Lorentz，HenriPoincaré和別的。馬克斯·普朗克，赫爾曼·敏科夫斯基其他人則進行了後續工作。

愛因斯坦發展一般相對論在1907年至1915年之間，許多其他人在1915年之後做出了貢獻。一般相對論的最終形式於1916年發表。[3]

“相對論”一詞基於表達“相對理論”（德語：Relativtheorie）Planck於1906年使用，他強調了該理論如何使用相對性原則。在同一論文的討論部分中，阿爾弗雷德·布切爾（Alfred Bucherer）第一次使用“相對論”表達（德語：Relativitätstheorie）。[6][7]

到1920年代，物理界已經理解並接受了特殊的相對論。[8]它迅速成為新領域的理論家和實驗者的重要工具原子物理學，核物理學， 和量子力學.

相比之下，一般相對論似乎並不是有用的，除了對牛頓重力理論的預測進行較小的糾正之外。[3]它似乎幾乎沒有實驗測試的潛力，因為它的大多數斷言都是天文學的。它的數學只有少數人似乎很困難和完全可以理解。1960年左右，一般相對論成為物理和天文學的核心。新的數學技術應用於一般相對論簡化的計算，並使其概念更容易看到。作為天文學現象被發現，例如類星體（1963年），3凱文微波背景輻射（1965），脈衝星（1967），第一個黑洞候選人（1981），[3]該理論解釋了它們的屬性，對它們的測量進一步證實了這一理論。

特殊相對論

主要文章：特殊相對論

特殊相對論是結構的理論時空。它是在愛因斯坦（Einstein）1905年的紙上引入的”在移動身體的電動力學上（有關許多其他物理學家和數學家的貢獻，請參閱特別相對的歷史）。特殊相對論是基於兩個假設，這些假設在古典力學：

  1. 法律物理任何觀察者在任何觀察者中都是一樣的慣性參考框架相對於彼此（相對性原則）。
  2. 這光速在一個真空對於所有觀察者來說，無論他們的相對運動或運動的運動如何光資源。

最終的理論比經典力學更好地應對實驗。例如，假設2解釋了Michelson – Morley實驗。此外，該理論具有許多令人驚訝和違反直覺的後果。其中一些是：

  • 同時性的相對論：如果觀察者相對運動，則兩個觀察者同時進行的兩個事件可能不會同時進行。
  • 時間擴張：移動時鐘測量比觀察者的“固定”時鐘要慢得多。
  • 長度收縮：測量物體以縮短其相對於觀察者的方向。
  • 最大速度是有限的：沒有物理對象，消息或現場線可以比真空中的光速更快。
    • 重力的效果只能以光的速度穿過太空，而不是更快或瞬間。
  • 質量 - 能量等效性：e=MC2，能量和質量是等效的且可傳輸的。
  • 相對論質量，一些研究人員使用的想法。[9]

特殊相對論的定義特徵是替換加利利的轉變經典的力學洛倫茲的變換。 （看麥克斯韋方程的電磁學）

一般相對論

主要文章：一般相對論和一般相對論簡介

一般相對論是愛因斯坦在1907 - 1915年中發展的引力理論。一般相對的發展始於等價原理，在其下加速運動在休息引力場（例如，站在地球表面時）在物理上是相同的。結果是自由落體是慣性運動：自由下落中的一個物體正在下降，因為這是當沒有的情況下對象移動的方式力量被施加在他們身上，而不是歸因於重力就像在古典力學。這與古典力學和特殊相對論因為在這些理論中，慣性地移動的對像不能相互加速，但是自由下落的對像是這樣做的。為了解決這個困難，愛因斯坦首先提出時空是彎曲。愛因斯坦與數學家討論了他的想法馬塞爾·格羅斯曼（Marcel Grossmann）他們得出的結論是，可以在里曼尼亞的幾何形狀這是在1800年代開發的。[10]1915年，他設計了愛因斯坦場方程將時空的曲率與質量，能量和其中的任何動量相關聯。

一般相對論的某些後果是：

從技術上講，一般相對論是引力其定義功能是使用愛因斯坦場方程。字段方程的解決方案是度量張量哪個定義拓撲時空以及對像如何慣性移動。

實驗證據

愛因斯坦說，相對論屬於一類“原理理論”。因此，它採用了一種分析方法，這意味著該理論的要素不是基於假設，而是基於經驗發現。通過觀察自然過程，我們了解它們的一般特徵，設計數學模型來描述我們觀察到的內容，並通過分析方式推斷出必須滿足的必要條件。單獨事件的測量必須滿足這些條件並符合理論的結論。[2]

特殊相對論的測試

主要文章：特殊相對論的測試
圖Michelson – Morley實驗

相對論是可偽造理論：它做出可以通過實驗測試的預測。在特殊相對論的情況下，這些包括相對論的原理，光速的恆定和時間擴張。[12]自從愛因斯坦（Einstein）於1905年發表論文以來，已經在許多測試中得到了特殊相對論的預測，但是在1881年至1938年之間進行的三項實驗對於驗證至關重要。這些是Michelson – Morley實驗， 這肯尼迪 - thorndike實驗，和Ives -Stilwell實驗。愛因斯坦得出洛倫茲的變換從1905年的第一原則開始，但是這三個實驗允許從實驗證據中引起轉換。

麥克斯韋方程 - 經典電磁主義的基礎 - 將光描述為以特徵速度移動的波。現代的觀點是，光線不需要傳播的媒介，但是麥克斯韋和他的同時代人堅信光波是在介質中傳播的，類似於在空氣中傳播的聲音，而波紋在池塘的表面傳播。這種假設的媒介稱為發光的以太，相對於“固定恆星”以及地球移動的休息。菲涅爾的部分以太拖動假設排除了一階（v/c）效應的測量，儘管觀察到二階效應（v2/C2）原則上可能是麥克斯韋（Maxwell）認為它們太小，無法用當時的技術檢測到。[13][14]

米歇爾森 - 莫利實驗旨在檢測“以太風”的二階效應 - 以太相對於地球的運動。邁克爾森設計了一種名為邁克爾森干涉儀實現這一目標。該設備足夠準確地檢測預期效應，但是當1881年進行第一個實驗時，他獲得了無效的結果。[15]再次在1887年。[16]儘管未能檢測到以太風是令人失望的，但結果被科學界接受了。[14]為了挽救以太範式，菲茨杰拉德和洛倫茨獨立創造了一個特別指定假設其中材料物體的長度根據其通過以太的運動而變化。[17]這是Fitzgerald – Lorentz收縮，他們的假設沒有理論基礎。邁克爾遜 - 莫萊實驗的無效結果的解釋是，光線的往返行程時間為各向同性（獨立於方向），但僅此結果就不足以打擾以太理論或驗證特殊相對論的預測。[18][19]

這肯尼迪 - thorndike實驗帶有乾擾條紋。

雖然米歇爾森 - 莫利實驗表明光的速度是各向同性的，但它沒有說明速度的大小在不同的情況下發生變化（如果有的話）慣性框架。肯尼迪 - thorndike實驗旨在做到這一點，並於1932年由羅伊·肯尼迪（Roy Kennedy）和愛德華·桑迪克（Edward Thorndike）於1932年進行。[20]他們獲得了無效的結果，並得出結論：“沒有影響……除非太陽系在太空中的速度不超過其軌道上地球的一半。”[19][21]人們認為這種可能性太巧合了，無法提供可接受的解釋，因此從實驗的無效結果中得出結論，在所有慣性參考幀中，光線的光線都是相同的。[18][19]

Ives -Stilwell實驗是由Herbert Ives和G.R.進行的。1938年的斯蒂爾威爾第一[22]並在1941年具有更好的準確性。[23]它旨在測試橫向多普勒效應- 這紅移從移動源沿垂直於其速度的方向發出的光 - 1905年，愛因斯坦預測了這一策略。該策略是將觀察到的多普勒的轉移與經典理論預測的那樣進行比較，並尋找洛倫茲因子更正。觀察到了這種校正，得出結論，根據特殊相對論改變了移動原子時鐘的頻率。[18][19]

這些經典實驗已重複多次，精度提高。其他實驗包括，例如相對論能量和動量增加在高速度下，時間擴張的實驗測試， 和現代搜尋洛倫茲違規行為.

一般相對論的測試

主要文章：一般相對論的測試

一般相對性也已得到多次證實，經典實驗是汞的軌道，光的撓度由太陽，和重力紅移光。其他測試證實了等價原理和框架拖動.

現代應用

相對論效果並非僅僅是理論上的興趣，而是重要的實踐工程問題。基於衛星的測量需要考慮相對論的效果，因為每個衛星都相對於接地的用戶運動，因此在相對論的理論下是不同的參考框架。全球定位系統，例如全球定位系統，Glonass， 和伽利略，必須說明所有相對論效應，例如地球引力場的後果，以便精確工作。[24]在時間的高精度測量中也是如此。[25]如果省略相對論考慮，從電子顯微鏡到粒子加速器的儀器將不起作用。[26]

漸近對稱性

特殊相對論的時空對稱組是龐加萊集團這是一個十維組，包括三個洛倫茲的提升，三個旋轉和四個時空翻譯。合乎邏輯地詢問哪些對稱性是否適用於一般相對論。可拖動的情況可能是考慮到遠離引力場所有來源的時空的對稱性。對漸近時空對稱性的幼稚期望可能只是為了擴展和再現特殊相對論平坦的時空的對稱性，即，龐加萊集團。

1962年赫爾曼·邦迪，M。G。van der Burg，A。W。Metzner[27]和Rainer K. Sachs[28]解決這個問題漸近對稱性問題以研究由於傳播而引起的無窮大的能量流引力波。他們的第一步是決定某些物理上明智的邊界條件，以在輕度無窮大的引力場上放置，以表徵說公制的含義是漸近的，沒有先驗關於漸近對稱群體的性質的假設，甚至沒有這樣一個群體存在的假設。然後，在設計了他們認為是最明智的邊界條件之後，他們研究了所得的漸近對稱性變換的性質，這些變換使不變的邊界條件的形式適合於漸近平坦的重力場。他們發現的是，漸近的對稱轉換實際上確實形成了一個群體，並且該組的結構不取決於恰好存在的特定引力場。這意味著，正如預期的那樣，人們可以至少在空間無窮大至少在引力場的動力學上將時空的運動學與引力場的動力學分開。1962年，令人困惑的驚喜是他們發現了一個豐富的無限二維群體（所謂的BMS集團）是漸近對稱群體，而不是有限的龐貝拉群體，該小組是BMS組的一個子組。洛倫茲變換漸近對稱性不僅是勞倫斯的變換，而且還有其他的轉化不是洛倫茲的變換，而是漸近的對稱性轉換。實際上，他們發現了一個額外的轉換發生器的無窮大。超級翻譯。這意味著一個總體相對論的結論不是在長距離弱場的情況下，將特殊相對論降低。[29]：35

也可以看看

參考

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進一步閱讀

外部鏈接

  • 相對論在curlie
  • 詞典定義相對論在Wiktionary
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