愛的廣義相對論最後一戰介紹

英國哈利王子和妻子梅根淡出王室後話題和爭議不斷,如今恐怕又將掀起風波 。 兩人和知名影音串流平台合作的紀錄片即將在12月8日上架,官方也已經釋出最新預告片,片中能看見有兩人的甜蜜愛情故事、但也有哈梅受訪時流淚的畫面。 這次紀錄片是否將報出更多王室內幕醜聞,引發各界討論。 坦白說若不是因為先看了《迴圈》、甚至也曾經聽到導演分享,他並沒有設定老馬最後「死了」——說真的,我自己是更傾向最後老馬真的就這麼離開。 整個最後的處理氛圍,我幾乎是沒有懸念的這樣以為了。

射入重力勢阱中的光會發生藍移,而相反從勢阱中射出的光會發生紅移;歸納而言這兩種現象被稱作重力紅移。 更一般地講,當有一個大質量物體存在時,對於同一個過程在距離大質量物體更近時會比遠離這個物體時進行得更慢,這種現象叫做重力時間膨脹。 的確,在愛因斯坦提出相對論的時候,科學界一片譁然,很多科學家既沒有弄懂,也不相信愛因斯坦。

  • 廣義相對論的預言至今為止已經通過了所有觀測和實驗的驗證——廣義相對論雖然並非當今描述重力的唯一理論,但卻是能夠與實驗數據相符合的最簡潔的理論。
  • 關於定義廣義相對性原理以及將其從廣義協變性的觀念中分離出來這一過程中所遇到的困難,參見Giulini 2006b。
  • 隨著宇宙不斷膨脹和冷卻,質子與中子間的碰撞…
  • 的確,在愛因斯坦提出相對論的時候,科學界一片譁然,很多科學家既沒有弄懂,也不相信愛因斯坦。
  • 關於恆星演化的最終階段參見Oppenheimer & Snyder 1939,以及Font 2003,sec.

其實,在愛因斯坦之前,就有人根據牛頓定律計算出光線經過太陽附近的會發生偏折,只是,用牛頓定律計算出的結果只有愛因斯坦的一半。 不過,地球的引力還不夠大——如果一束光在地面上運動3000km, 由於引力影響造成的光線偏折也只有0.5mm,所以愛因斯坦電梯實驗沒辦法在地面上實現。 太陽的引力遠遠比地球強大,假如光線經過太陽附近,光線的偏折就會達到可以觀測的程度。 1859年,法國天文學家勒維列計算了水星的進動速度,為100年5600秒,我們要知道:圓周角是360度,1度是60分,1分是60秒,5600秒也只有大約1.5度,100年才變化這麼點,水星的進動速度並不快。

愛的廣義相對論最後一戰: 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的? | 主線

也就是說,有些物理學家開始懷疑暗物質存在的證據是否其實是愛因斯坦理論(當然也包括牛頓理論)對重力的描述存在偏差的證明,關於這一猜測的概述參見Mannheim 2006,sec. 不過對於天體物理學意義上的重力輻射而言,例如黑洞雙星的合併過程,後牛頓力學近似方法、微擾理論或數值相對論等近似途徑是僅有的處理手段。 (暗示了在彎曲時空中進行時間旅行的可能性)、Taub-NUT解(一種均勻卻又各向異性的宇宙模型)、反德西特空間(近年來由於超弦理論中的馬爾達西那假說的提出而變得知名)。 古典力學的一個基本原理是:任何一個物體的運動都可看作是一個不受任何外力的自由運動(慣性運動)和一個偏離於這種自由運動的組合。 這種偏離來自於施加在物體上的外力作用,其大小和方向遵循牛頓第二定律(外力大小等於物體的慣性質量乘以加速度,方向與加速度方向相同)。

場方程式的「3+1」分解形式是數值相對論的研究基礎。 早期的黑洞研究主要依賴於求得愛因斯坦場方程式的精確解,著名的解包括球對稱的史瓦西解(用來描述靜態黑洞)和反對稱的克爾解(用來描述旋轉定態黑洞,並由此引入了動圈等有趣的屬性)。 而後來的研究通過全域幾何揭示了更多的關於黑洞的普適性質:研究表明經過一段相當長的時間後黑洞都逐漸演化為一類相當簡單的可用十一個參數來確定的星體,包括能量、動量、角動量、某一時刻的位置和所帶電荷。 這一性質可歸納為黑洞的唯一定理:「黑洞沒有毛髮」,即黑洞沒有像人類的不同髮型那樣的不同標記。 例如,星體經過重力塌縮形成黑洞的過程非常複雜,但最終形成的黑洞的屬性卻相當簡單。 如果等效原理成立,則可得到重力會影響時間流易的結論。

像是藉由這樣的一部作品,我們也進到了歌曲所打造的世界裡頭。 1968年出生於葡萄牙里斯本,倫敦帝國學院理論物理博士,曾於美國加州大學柏克萊分校、歐洲粒子物理研究中心,從事博士後研究。 專長是理論宇宙學與天文物理,研究主題為宇宙大尺度結構的起源、廣義相對論、以及暗物質和暗能量的性質,已發表一百多篇學術論文。 我們通常所說「重力」,那是牛頓的經典物理學的觀點。 海森堡認為,包立既注重從實驗和自然現象中洞察科學規律,又用最先進的數學工具來構建模型解釋自然,一個人試圖同時整體地駕馭實驗和理論實在太難了 。 自幼就周旋於頂級科學家之間的包立儘管對科學充滿熱情,但他對科研成就的獲取遠不如其他人飢渴。

愛的廣義相對論最後一戰

狹義相對論是建立於重力可以被忽略的前提,因此,對於重力可以被忽略的實際案例,這是一個合適的模型。 如果考慮重力的存在並假設愛因斯坦等效原理成立,則可知宇宙間不存在全域的慣性系,而只存在跟隨著自由落體的粒子一起運動的局域近似慣性系。 用時空彎曲的語言來說,在無重力作用的慣性系裡的幾條筆直類時世界線,在實際時空中會變得彼此相互彎曲,這意味著重力的引入會改變時空的幾何結構。 在重力和宇宙學的研究中,廣義相對論已經成為了一個高度成功的模型,並且到目前為止能夠在不另加特例假設條件下,得到許多實驗的驗證。 然而即便如此,仍然有證據顯示這個理論並不完備:對量子重力的尋求以及時空奇異點的現實性問題依然有待解決;實驗觀測得到的支持暗物質和暗能量存在的數據結果意味著對於建立新物理學的渴求。 在愛因斯坦發表他的理論一百年之後,廣義相對論依然是一個高度活躍的研究領域。

愛的廣義相對論最後一戰: 重力時間膨脹和重力紅移

而恆星質量黑洞等小質量緻密星體落入超大質量黑洞的這一過程所輻射的重力波能夠直接並完整地還原超大質量黑洞周圍的時空幾何資訊。 1953 年 6 月,包立和普林斯頓高等研究院的佩斯(Abraham Pais, 1918–2000)在荷蘭萊頓參加一個國際會議,討論了核子及介子相互作用等問題,也談及如何用規範場理論來描述核力場。 會議後包立沿著這個思路做了一些研究,寫成一篇題為「介子-核子相互作用和微分幾何」的文稿,附在一封信中於同年 7 月寄給了佩斯 [O’Raifeartaigh and Straumann, 2000]。 該文基於外爾、Kaluza 和 Klein 等人的規範場工作推匯出統一描述核力場與電磁場的非阿貝爾規範場方程。 在物理學原理和假設之上、依靠數學工具嚴謹地推導方程不僅顯示研究者的數學技巧和實力,也是一個展現物理學思路和洞察力的過程,非常重要。

即使是在平直的閔考斯基時空中,當觀察者處於一個加速的參考系時也會存在視界,這些視界也會伴隨有半古典理論中的盎魯輻射。 在時空中,有物體的距離是有幾分不同的:兩點不是簡單的空間中的點,而是時空中的點。 在兩點(又稱事件)之間最短的路徑,現在是一條穿過時空的路徑,比如一條路徑能夠讓物體能夠在時空中穿梭。

愛的廣義相對論最後一戰

第二個假設則是,光的傳播過程與其他物體的運動行為是不同的。 光速始終是恆定的——它不依賴於光源的速度或觀察者的速度。 例如,當我開車在路上行駛,被問到我旁邊的車有多快時,答案取決於我的車速。 如果鄰車車速與我的車速相同,那麼它相對於我的車似乎是靜止的。

愛因斯坦的同事貝索突然說:也許在一個人看來同時發生的兩件事,在另一個人看來並不是同時發生的。 1902年,愛因斯坦有了第一個學生索洛文,當時正在伯爾尼大學學習物理和哲學。 他覺得課堂的內容太簡單,就來聽愛因斯坦的課。 收費課程結束後,二人又開始隨心所欲的討論物理和哲學。

從廣義相對論得到的部分預言和古典物理中的對應預言非常不同,尤其是有關時間流易、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題,例如重力場內的時間膨脹、光的重力紅移和重力時間延遲效應。 廣義相對論的預言至今為止已經通過了所有觀測和實驗的驗證——廣義相對論雖然並非當今描述重力的唯一理論,但卻是能夠與實驗數據相符合的最簡潔的理論。 最為基礎的即是廣義相對論和量子物理的定律應如何統一以形成完備並且自洽的量子重力理論。 作為現代物理中粒子物理學的基礎,通常意義上的量子場論是建立在平直的閔考斯基時空中的,這對於處在像地球這樣的弱重力場中的微觀粒子的描述而言是一個非常好的近似。 而在某些情形中,重力場的強度足以影響到其中的量子化的物質,但不足以要求重力場本身也被量子化,為此物理學家發展了彎曲時空中的量子場論。 這些理論藉助於古典的廣義相對論來描述彎曲的背景時空,並定義了廣義化的彎曲時空中的量子場理論。

從20世紀30年代開始,科學家便開始對白矮星特殊的質量-體積關係的進行理論研究。 通常認為,這種現象跟白矮星中的電子態有關——當一個白矮星壓縮時,它的電子數量會增加。 因為在這本書的前言中,愛因斯坦寫道:本書旨在讓那些對相對論感興趣,但是理論物理和數學又不太好的讀者,能夠儘可能確切的而理解相對論,我想這本書剛好適合我的知識水平。

這一理論的成功之處是有一種振動模式總是能與重力的媒介子即重力子對應,例如參見Green, Schwarz & Witten 1987,sec. 有關這一概念的演化介紹,參見Israel 1987。 用更精確的數學描述來區別不同種類的視界,著名的包括事件視界和表面視界,可見於Hawking & Ellis 1973,pp. 312–320或Wald 1984,sec. 12.2;對於不需要在無限遠處時空性質的孤立系統,還存在直覺的定義,參見Ashtekar & Krishnan 2004。 關於恆星演化的最終階段參見Oppenheimer & Snyder 1939,以及Font 2003,sec.

因此小球應該在第一階段慢一點兒,在第二階段快一點兒,以便從兩種因素中得到一個折中的結果。 另外一種嘗試來自於量子理論中的正則量子化方法。 應用廣義相對論的初值形式(參見上文演化方程式一節),其結果是惠勒-得衛特方程式(其作用類似於薛丁格方程式)。 雖然這個方程式在一般情形下定義並不完備,但在所謂阿西特卡變量的引入下,從這個方程式能夠得到一個很有前途的模型:圈量子重力。 在這個理論中空間是一種被稱作自旋網絡的網狀結構,並在離散的時間中演化。

愛的廣義相對論最後一戰

當兩個大質量天體彼此圍繞對方旋轉,宇宙空間的彎曲就會像波一樣擴散,這就是引力波。 人們已經找到了黑洞和引力波,愛因斯坦又對了。 所有這些嘗試性候選理論都仍有形式上和概念上的主要問題需要解決,而且它們都在面臨一個共同的問題,即至今還沒有辦法從實驗上驗證量子重力理論的預言,進而無法通過多個理論之間某些預言的不同來判別其正確性。

愛的廣義相對論最後一戰

還有一段我自己印象蠻深刻的是,郭維娜所說的——我們被告知、被教育要懂得孝順父母,要去愛自己的父母,可是卻是在成為母親的當下,就已經知道要怎麼愛自己的孩子了。 因為母親在自己面前墜樓自殺的打擊太大,這也導致對郭維娜來說,要去改變媽媽過往的人生,成為一件很重要的事情。 透過比較奇幻一點的設定,讓遺憾有機會得以被彌補,或者說,讓郭維娜可以更靠近母親一點。 這部作品以《月亮代表我的心》作為主軸,因此很直觀地把「超級月亮」這樣罕見的天文現象,結合進故事裡頭,並且透過三次的「對話」,試圖改變既定的未來。 現在對於精神疾病的治療,有一項新觀點開始受到重視,那就是以協助精神病患者進入職場工作,當做是治療的最大目標。

2016年2月11日,雷射干涉重力波天文台(LIGO)團隊於華盛頓舉行的一場記者會上宣布人類對於重力波的首個直接探測結果。 兩個黑洞分別估計為29及36倍太陽質量,這次探測為物理學家史上首次由地面直接成功探測重力波。 但在弱場情形下可採用線性近似,由於從遙遠的天體輻射出的重力波到達地球時已經非常微弱,這時線性化的重力波已經足以精確描述其到達地球時的強度,其引起的空間距離的相對變化大約在10-21或更低。 這些線性化的重力波是可以進行傅立葉分解的,對這些重力波信號進行的數據分析正是基於這個原理。 廣義相對論用一個對稱的二階張量替換了古典力學中的重力純量勢,不過前者在某些極限情形下會退化為後者。 在弱重力場並且速度遠小於光速的前提下,相對論的結果和牛頓古典理論的結果是重合的。

由於陽光過於耀眼,這個實驗只能在日全食的時候做。 試圖克服這些限制的嘗試性理論之一是弦論,在這種量子理論中研究的最基本單位不再是點狀粒子,而是一維的弦。 弦論有可能成為能夠描述所有粒子和包括重力在內的基本交互作用的大一統理論,其代價是導致了在三維空間的基礎上生成六維的額外維度等反常特性。 在所謂第二次超弦革命中,人們猜測超弦理論以及廣義相對論與超對稱的統一,超重力,能夠構成一種十一維模型,M理論,的一部分。 科學家認為這種模型能夠成為具有唯一性定義且自洽的量子重力理論的基礎。 根據廣義相對論,一個雙星系統會通過重力輻射損失能量。

  • )推導出了這些效應,參見 Einstein 1907和Pais 1982,pp.
  • 它不僅證實了愛因斯坦的廣義相對論,而且還幫助科學家了解到一種很有價值的天文現象,即引力透鏡效應,它可以幫助科學家們研究宇宙。
  • Hanoch Gutfreund是耶路撒冷希伯來大學的理論物理學名譽教授。
  • 1902年,愛因斯坦有了第一個學生索洛文,當時正在伯爾尼大學學習物理和哲學。

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柯文思

柯文思

Eric 於國立臺灣大學的中文系畢業,擅長寫不同臺灣的風土人情,並深入了解不同範疇領域。