爱因斯坦的天才改变了科学对重力的看法

阿尔伯特爱因斯坦开启了人类的眼睛向宇宙。

在爱因斯坦之前，空间似乎是无味和不变的，因为伊萨克·纽尔顿早些时候已经定义了两年家。和时间，牛顿宣称，以自己的速度流动，忘记了测量它的时钟。但爱因斯坦看着空间和时间，看到了一个动态舞台 - 时尚 - 在哪些物质和能量巡回，发电声和愤怒，表示重力。

牛顿的重力定律是与行星和星星的宇宙舞蹈落下苹果的地球物理学。但他无法解释如何，他着名拒绝尝试。它占据了引力的真正的作用经营的爱因斯坦。引力，爱因斯坦表现出来，不仅仅是让上涨始终下降。重力使宇宙变成了。

Gravity的秘密屈服于爱因斯坦的一般相对论，揭开了一个世纪前提交的一系列文件，今年11月到柏林普鲁士学院。十年来，他的特殊相对论理论与能源合并，同时暗示了空间和时间的统一（很快被克里斯蒂时代）。经过多年的斗争，爱因斯坦成功地表现出来的问题和时空相互互动，以模仿牛群互相吸引力的想法。Gravity表示，爱因斯坦实际上沿着弯曲的途径沿着Spacetime的弯曲途径 - 由质量和能量自身印记的路径。正如物理学家John Archibald Wheeler一样的数十年，群众握把，告诉它如何曲线和时空握碎质量，告诉它如何移动。

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爱因斯坦的理论解释着一个着名的观察，即牛顿的重力不能：地球汞的轨道中的一个微妙之处。他的方程暗示了与牛顿计算的进一步略微偏差。在上个世纪，通过现代精度测量，一般相对论的预测已经反复验证。今天的物理学家来说，一般相对论和重力基本上是同义词。

时间线：爱因斯坦和相对论

但是，一般相对论涉及仅仅是理解重力。这是为了解释存在的完整性。一般相对论激发了宇宙整个织物的新视野。从一般相对论流动，实现宇宙正在扩展的实现，它包含了叫黑洞的时空无限凹坑，它是由灾难碰撞触发的空间的涟漪所遍历的。

“对宇宙的进一步到达的影响比甚至意识到的爱因斯坦更令人惊讶，”物理学家斯蒂芬·霍克写了。

一般相对论解释了宇宙如何遵守适用于任何形式的物理法律。它是识别和调查关于空间和时间，存在和现实的关键问题的核心。其影响不仅限于宇宙尺度的疏忽问题 - 它也有其脚踏实地的影响。例如，没有一般相对性，GPS设备将是毫无价值的。如果没有纠正Einstein数学的效果，卫星信号旨在让您的汽车保持在右路的右路。

成力革命

在他对一般相对论的道路上，爱因斯坦本人采取了很多错误的转弯。从1907年到1914年，他努力解决了物理学家亚伯拉罕帕斯被称为“世纪最艰难的问题之一” - 以一种方式解释了对所有观察者对所有观察者相同的方式的引力，无论他们如何移动。爱因斯坦必须学习新的数学和狂热的常见偏见，例如欧几里德几何形状准确地描述了现实的普遍信仰。他在他的个人生活中和量子理论构成的物理问题中挣扎着分心。他发现自然顽固地拒绝合作。到1914年，他基本上被放弃了，相信一个部分成功的尝试 - 一种一般的相对性感 - 是自然允许的最好的。

但随后，某种方式Einstein的大脑重新启动。他的理论开始巩固，他迅速组成了四篇论文，一周在1915年11月。到最后一篇论文，他终于找到了推动他的着火革命的决定性方程。

四年后，一般相对性使爱因斯坦自己成为名人。如果重力曲线空间，他早早就实现了，一个光束通过了近似的物体（例如，太阳）将被从课程中偏转。该偏转将改变光源的表观位置（例如，遥远的星星）。在日食期间，可以拍摄和测量这样的偏移。在1919年的日食探险期间进行了这种测量，确认了爱因斯坦的计算。即使没有推特传播这个词，爱因斯坦的胜利会引发媒体感觉。

“灯在天上的歪曲，科学的男人或多或少的agog，”纽约时报10次科学历史上最着名的报纸头条新闻之一。从11月7日开始伦敦时报：“科学的革命，宇宙的新理论，牛顿思想推翻了。”

爱因斯坦成为一个传奇，他的名字永远是天才的代名词。

大动测量

时空的曲率在于一般相对性的核心。该理论预测，通过其他力未受干扰的引力场移动的东西将遵循称为测地的弯曲路径。二维弯曲表面上的测地仪，如地球，说明了曲率如何产生重力。例如，从赤道上的任何点，北极的最短路径跟随曲线 - 与经络相对应的测地。如果两个人在这样的艰苦跋涉开始，开始一些距离，他们追求不同的弯曲经络到杆子，但随着向北行进时，他们会变得更加越来越近。似乎曲率彼此向彼此拉动 - 就像牛顿的重力一样。

图像：Geek3 / Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0），由E. Otwell调整

事实证明，即使是牛顿重力也会有一些弯曲的光线，因为约翰·冯·斯莱克赛（未知为爱因斯坦），超过了一个多世纪。但爱因斯坦预测，正如冯·莱克人一样弯曲的两倍。虽然最早的测量是原油，但它们比牛顿的预测更接近爱因斯坦的预测。在随后的日食中，Einstein的计算已经反复确认。重力偏转光线，就像一般相对性所需的一样。

一般相对性的光弯曲效果对于远远超过肯定爱因斯坦的理论而有价值。通过弯曲光，肿块就像镜头;这种“重力透镜”改变了遥感物体的表观位置，创建它的多个图像，或者（如果图像重叠）出现以照亮它。这种效果可用于探测空间的分布或检测看不见的群众的存在。

“由于发现第一重力透镜的发现，已经利用了现象来映射星系和集群周围的质量分布，并寻找暗物质，暗能量，紧凑的物体和郊区的行星，”物理学家克利福德将注意到最近的纸张。

引力透镜于1979年首次观察到，但爱因斯坦在1912年涉及它的可能性，即使在他的理论完成之前也是如此。只有1936年，他发布了一篇关于它的论文，将注意到，“主要是，似乎，让捷克电气工程师命名为Rudi Mandl，停止缠住他。”弗洛里达大学的普罗吉岛普罗斯维尔的意志，没有提到Mandl首次与引力透镜的想法进行了第一次接近科学新闻信（科学新闻'前身）;该杂志支付了他的费用访问爱因斯坦，然后，他们同意计算Mandl建议的计算（SNL：12/19/36，p。 388）。Einstein在科学中发表的论文，建议永远不会被注意到的效果。但现代天文勘探证明是相反的。

爱因斯坦对一般相对论的其他后果也是矛盾的。例如，在1916年，他提出了引力辐射 - 在巨大的机身突然改变其运动后通过时空扭曲的可能性，如碰撞与另一个质量碰撞时。这种波应该存在，爱因斯坦所推断的，因为一般相对性需要重力的影响在光速下传播（而牛顿的重力瞬间传播）。但后来爱因斯坦改变了他的思想。1936年，他和内森罗森提交了一篇论文，争论毕竟不存在这种波。但他们的论文含有错误。今天，引力波的现实通过间接方法令人信服地建立了令人信服的方法，并在直接检测到它们的实验（参见“放大宇宙”）。

天文学家已经在整个宇宙中检测到一般相对性，黑洞的另一个后代。但爱因斯坦不相信他们也存在。

解释水星的奇怪轨道

在19世纪中叶，天文学家发现，汞的轨道并不完全符合牛顿重力预测的路径。在阳光周围的每次旅行中，水星最近的方法或透明度，通过略微的金额向前转移，每世纪的弧形不到2度（从地球看到）。大多数转变可以通过太阳系中其他行星施加的引力效应来解释。但是43秒的电弧仍然是未解释的。几十年来，天文学家通过寻找假设的星球，称为Vulcan，越来越多的太阳而不是汞。这种行星的重力可以解释汞轨道的偏差。但从未发现过这样的星球。1915年11月，爱因斯坦利用他的新的重力理论来计算水银的轨道，发现它精确地解释了差异，这是他理论正确的令人信服的关键论证。

图像：E. Otwell.

黑洞的存在只有在爱斯坦向普鲁士学院向普鲁士学院向普鲁士学院呈现出一般的相对论。Karl Schwarzschild，德国天文学家在俄罗斯前沿，在俄罗斯前面为世界大战，为Einstein的解决方案制定了对围绕大规模领域的时空几何形状的解决方案。它是第一个朝着空间中描述黑洞的数学步骤。但施瓦茨柴尔德没有追求这个话题;他从皮肤病后几个月去世了。直到20世纪60年代后期没有黑洞被出现为一般相对性最突出的广告，刺激科学和受欢迎的想象力。他们成为科学最佳想象者构思的理论的最迷人的产品。

自由落下

爱因斯坦的想象力在他应该在评估专利时凝视着他的办公室窗口时，他诞生了一般相对论的核心想法。“突然间，我被一个想法震惊了，”爱因斯坦之后说。“如果一个人自由落下，他肯定不会感到自己的重量。”

这是1907年，在他的特殊相对论之后两年来重写了关于时间和运动的教科书概念。

特殊的相对论表明，自然定律不依赖于你的移动方式，只要它是统一的运动 - 直线恒定速度。但在现实生活中，物体和人们在各种不均匀的方面移动。（让空气从气球中出来。）即使是一些“简单”的动作，也像一个星球的球体或轨道的旋转一样是不均匀的，因为它们不断变化方向并且因此加速。爱因斯坦希望与所有形式的加速运动相比延伸。但他不知道如何。

然后他在专利局的愉快思想提出了希望。由于重力而自由地落地朝向地面，但感觉没有力量（直到影响）。因此，爱因斯坦意识到，重力和加速是硬币的两侧。加速火箭船的向上推力将乘员带到地板上，就像地球的引力拉动保持脚踏实地一样。这种加速度 - 重力等效化解释了好奇的牛顿巧合：身体的质量（其惯性抵抗运动变化）等于其重量（或引力质量），其对重力的响应。爱因斯坦对光速恒定的原则建立了特殊的相对性;他怀疑可以建立一般的相对性，这是惯性和引力质量等同的原则。如果他成功，这将意味着自然的法律对于所有形式的议案都可能相同。

在第一步进步很慢。然后在Mathematician Hermann Minkowski出现了一条关键的线索，当Mathematician Hermann Minkowski表现出特殊的相对论与时间的合并有多相对性（SN：9/13/08，p。 26）。在特殊的相对性中，不同观察者的空间或时间措施不同。但Minkowski表明，空间和时间合并 - Spacetime - 产生了所有观察者可以达成一致的事件的数学描述。任何事件的位置都可以由一组空间和时间坐标指定。

弯曲光

要测试的一般相对性的第一预测之一涉及光的弯曲。因为诸如星形的巨大的身体，围绕它扭曲时空，所以通过附近的光束应从直线路径偏转。来自地球，来自太阳附近的遥远的明星的光线将弯曲，以改变遥远的明星的明显位置。1919年，天文学家在日食期间拍摄了太阳附近的星星。将夜间照片的夜间照片中恒星的位置与前面拍摄的夜间照片进行比较表明，恒星的立场似乎逐渐转移了Einstein预测的金额。实际上，基于牛顿重力的计算也预测了光线弯曲，但只有一半的灯光计算。一般相对性需要两倍的弯曲，因为光线弯曲，同时通过空间已经弯曲以开始。

建立此类坐标需要框架参考或起源点。不同的观察者将选择不同的起源。因此，如果对每个人的大自然的法律是一样的，那么任何一个人的坐标都应该有些感觉相当于其他人的坐标。然后，爱因斯坦的任务成为努力找到将任何一个坐标系转换为任何其他坐标系的公式，同时保持重力和加速之间的等效。

到1912年，爱因斯坦意识到他的目标需要放弃欧几里德几何形状。他意识到真实空间无法符合教科书的理想化线条和角度。重力扭曲了坐标，就像橡胶板上的直线网格一样，如果你放置了一个沉重的炮弹。

但爱因斯坦没有拥有应对非欧几里德几何形状的数学技能。幸运的是，他的大学朋友Marcel Grossmann是一位成功的数学家，渴望帮助。熟悉19世纪 - Mathematician Bernhard Riemann在用于描述弯曲表面的数学上的工作，Grossmann帮助爱因斯坦在新的重力理论中产生了大纲（德语中的Entwurf）。但它有一个缺点，但它适用于某些坐标系，但不是所有可能的系统。爱因斯坦在1913年8月讨厌，写给了物理学家Hendrik Lorentz，即我对理论可否受理的信心仍然存在这种主要的障碍。“如果加速度相当于引力场，则引用Einstein，应该通过重力的方程来描述各种加速度。如果不是，“理论驳斥自己的起点;然后它没有任何基础。“

两天后，爱因斯坦似乎更快乐，写信给洛伦兹，洛伦兹队的缺陷已经解决了。11月，爱因斯坦描述了对物理学家保罗的信中的解决方案，断言描述所有加速的方程根本不存在;一些坐标系获得特殊状态，以保留节能势头保守定律。这使得他的原始目标是不可能的。但爱因斯坦似乎很满意，他做了最美好的本性将允许。

“可以有什么比这更美丽，所以必要的专业从保护法中遵循？”爱因斯坦问了Ehrenfest。事实证明，实际上有更美丽的东西。但要找到它，爱因斯坦必须搬到柏林。

柏林突破

爱因斯坦的生命，直到那么震惊。他于1879年出生于德国乌尔姆，当时婴儿达到慕尼黑，然后作为米兰，意大利的少年搬出了高中。他回到瑞士上学，最终从苏黎世大学毕业。未能找到学术工作，他于1902年加入了瑞士专利局，明年已婚米莉瓦玛丽ć。

在他的岁月，在专利局，爱因斯坦在传统物理学中展示了一篇论文的爆炸性产出，包括报告他对量子物理学的特殊相对论和诺贝尔奖获奖工作。最终，这些文件导致了物理世界的充分认可，以获得布拉格的教师预约。但他在他回到苏黎世的第一次机会上，格罗斯曼现在教过数学。有爱因斯坦和格罗斯曼开发了onwurf理论。然后柏林，德国（和世界）物理的巅峰，称为。大学的着名物理学家在那里制作了爱因斯坦，他无法拒绝：没有教学责任。正如他写信给Lorentz：“我无法抗拒诱惑接受我对所有职责的职务，以便我可以完全放弃谣言。”

故事继续在框下面

爱因斯坦野外方程式

由于质量和能量扭曲了时尚的形状，标准教科书的欧几里德几何形状无法准确描述。爱因斯坦的一般相对论使用Bernhard Riemann在19世纪设计的非欧几里德几何形状建立了更复杂的数学。借助他朋友Marcel Grossmann的帮助，爱因斯坦通过Mathematicians Gregorio Ricci-Curbastro，Tullio Levi-Civita和Elwin Christoffel采用进一步的进展，以描述所谓的张量的数学表达式的时空几何。张量是诸如vectors的诸如速度等速度，包括两个组件（在速度的情况下，速度和方向）。张量是相似的，但可以包含超过两个组件。爱因斯坦使用张量来发展他的等式描述引力场，称为爱因斯坦场方程。

爱因斯坦野外方程式

gμν=8πtμν.

在等式的左侧是描述时空的几何形状的张量 - 引力场。在右边是描述物质和能量密度的张量 - 引力场的来源。等式表明，当用适当的单元和数值常数调节时，时空几何形状等于质量能密度。（实际上，由于张量的复杂性，等式代表了一组多方程。所以专家通常会谈论爱因斯坦野外方程，复数。）

带λ的爱因斯坦野外方程式

gμν+λgμν=8πtμν

当他向整个宇宙应用这个方程式时，爱因斯坦发现宇宙将不稳定，容易被扰乱到时空将是扩展或塌陷的状态。所以他补充了一个被称为宇宙学常数的术语，由希腊信兰巴象征着。它在整个空间中代表了恒定的能量密度，这将使宇宙保持稳定和不变。后来，证据表明宇宙确实扩大了LED爱因斯坦放弃了λ。但它已被现代宇宙学家复活，以解释宇宙扩张速度的明显增加，该宇宙在20世纪90年代后期发现的。

在所有这些动作中，爱因斯坦的个人生活恶化了。除了迈尔瓦分开，他与他的堂兄埃尔萨追求了关系。和迈尔瓦没有释放柏林的生活理念。1914年7月，她把他们的两个儿子赶到了苏黎世，爱因斯坦在柏林留下了令人厌倦的是对他心灵的内容的一般相对性。在第二年内，他的自由滋养了肥沃的几个月，他看到了成功的新道路。1915年中期，他看到有一种方法可以使其真正一般。他在方程上施加能量动力节约，而不是对宇宙施加保护法的设计，而不是对等方面进行节能。

爱因斯坦现在应用了他在前几年掌握的所有数学巫术的全部力量，采用了riemann的数学的点缀称为张量。到1915年11月，爱因斯坦感受到了胜利。11月4日，他向普鲁士学院提交了一般相对性的论文，提出了11月11日的增编。下周，他介绍了另一篇新论文，这次在对学院的演讲中，展示了一般相对性的时空曲率如何解决了所有物理学中的突出引力问题，汞轨道轨道的异常。在接下来的一周中，他终于找到了描述引力场的等式的正确形式，在11月25日呈现他的结果。爱因斯坦的任务完成了。一般相对性工作。

普遍影响

爱因斯坦迅速实现（或者已经众所周知），他的新的重心理论真的是宇宙的理论。1917年，他为整体而写了一个针对宇宙的一般相对性的着名论文。如今，纸张成为现代宇宙学的基础。但是当时，爱因斯坦陷入困境 - 他的公式暗示了一个不稳定的宇宙，无论是生长还是崩溃。在那些日子里，宇宙应该是永恒的，永恒和不变的。因此，爱因斯坦改变了他的等式，增加了称为宇宙常数的因素，表示保持宇宙静态的空间中的恒定能量密度。

其他人没有买它。俄罗斯气象学家 - 数学家亚历山大弗里德曼，从爱因斯坦原版方程式开发了扩展或收缩宇宙的描述。爱因斯坦首先认为Friedmann出错，但随后仍然有所缓解，尽管仍然只观看了数学兴趣的“扩展宇宙”。但几年后，当Edwin Hubble对来自遥远星系的光线的分析证实了宇宙的扩张，Einstein却留下了。尽管他自己不愿接受它，但爱因斯坦的一般相对论数学实际上暗示了驾驶员后来称之为“最戏剧性的预测科学已经曾经制造过“ - 宇宙的扩张。

今天，爱因斯坦的宇宙常量已被复活。它描述的真空能量而不是防止宇宙崩溃，而是可以解释为什么宇宙现在以加速的节奏扩展。一般相对论，宇宙常数和所有，今天形成了分析宇宙历史的核心科学，并预测其未来。

但除了在宇宙学中的使用外，普遍相对论并未广泛应用于其前四十年的科学问题。在大多数情况下，数学部门的一般相对论很少在物理学中进行讲话。

引力崩溃

在爱因斯坦引入一般相对性之后不久，卡尔施瓦茨柴尔德计算了对大规模球体的重力的影响。Schwarzschild确定，对于任何给定的质量，存在“临界半径” - 他相信的极限，据信，可以压缩质量量。1939年，爱因斯坦的结论是，质量不能在“Schwarzschild半径”中被压缩。但在同年，J. Robert Oppenheimer和Hartland Snyder否则计算出一种充分的巨大物体在该半径内可能确实崩溃，从视野中消失并仅留下其引力场。

当时，没有人注意任何关注。但在20世纪60年代，新发现的天体物理异常表明，引力崩溃在宇宙中工作，而oppeNheimer和斯奈德的想法被复活，因为所谓的黑洞。以吞下任何东西而闻名并允许任何东西逃脱，黑洞可能是一般相对性最奇怪的天体物理后果。在整个空间和超大的黑洞中检测到小黑孔，位于大多数星系的核心中。

最近最近的黑洞（示出的原理图）已被用作思想实验实验室，用于调查几个关于空间和时间性质的杰出奥秘。

Cronholm144 / Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0）;由E. Otwell改编

“一般相对论本质上很长一段时间，”德克萨斯大学德克萨斯大学的突出相对论理论家沃尔夫冈·沃尔夫·沃尔德勒说。“人们认为这是一个休眠科学。”

只有在1955年在1955年去世后，才有一般相对论才能生命。关于那个时候普林斯顿大学的惠勒开始了一个计划探索其影响和培训学生追求他们。到20世纪60年代初，新的天文现象要求牛顿物理无法提供的解释，一般相对论是为了其文艺复兴而准备。在随后的几十年中，一般相对论证明了描述各种天体现象的至关重要。与此同时，物理学家设计了更精确的预测测试，而爱因斯坦将它们传递给他们所有人。正如本来必要的那样，“这一理论是显着的，100年前出生的几乎纯粹的思想，已经设法在每一次测试中生存。”

甚至比找到一般相对论的方程甚至更难地解释了几乎纯粹的思想，爱因斯坦做到了。科学历史学家杰拉尔德·赫尔顿曾经评论过，同时在定义科学天才的背景下描述了爱因斯坦，“这家科学家的思想和生活方式的相互映射和自然律法”。爱因斯坦自己归于他的成功，以发现数学与物理世界之间的深层关系。

在创造一般相对论时，爱因斯坦的道路被叉;他不得不设想管理物质，空间和时间的物理流程，同时配制对应于该现实的抽象数学表达式。作为一名学生，爱因斯坦作证，他被忽视了数学。他的直觉不足以引导他最深刻的数学许多子场。但在自然现象的实际领域，“我很快就会学会了臭味，能够导致基本面并从......局面转移到......杂乱心灵的众多事情并从必不可少的情况下。”起初他并没有意识到“对物理学的基本原则更深刻的了解是以最复杂的数学方法捆绑在一起。”他了解到他追求一般相对论。

最终，爱因斯坦的思想产生了一种数学理论，如此富有，这需要毫无疑问的宇宙诺特。首先是通过望远镜的镜片发现的神奇物理现象，但在Quiggles中，爱因斯坦在纸上划伤，以使世界对他有意义。现在，由于爱因斯坦的见解，现在只有现代科学就有意义。

“爱因斯坦的想法”，“他的朋友Max Max出生于半个世纪前写的物理学家，”已经掌握了从过时的哲学学说解放出来的动力，并使他们成为现代世界的决定性因素之一。 “

重力按时拉动

想象一艘火箭在自由空间中的火箭船，加速向上（从船上宇航员的角度来看）。宇航员以每秒一个速率从地板射击从地板上的激光脉冲到天花板上的传感器。因为船舶加速，传感器在其跳闸到天花板期间远离激光束，因此脉冲以超过一秒的间隔到达。但是激光的速度保持恒定。因此，天花板上的时钟必须比地板上的时钟更快地刻划，以准确测量光速。因为，作为一般相对性所需的，加速度相当于引力场，因此对于从底部到停放在地球上的船顶的激光脉冲时应发生相同的效果。同样，海平面的时钟比山顶上的时钟更慢。引力场中的时钟放缓被称为重力时间扩张。

一般相对论和GPS

用于确定地球表面上的位置的全球定位系统取决于卫星发送的信号大约20,000公里的信号。GPS接收器记录信号从多卫星到达的精确时间;那些到达时间可用于计算卫星的距离。然后，接收器可以基于与卫星及其位置的距离来计算其自己的位置。这种方法需要地面上的时钟与卫星上的时钟同步。但由于引力的时间扩张，地面上的时钟比卫星的钟表慢。在短短一天后，如果计算不纠正相对性的效果，您的GPS将使您的位置约为10公里（六到七英里）。（实际上，特殊的相对性也需要校正，因为卫星的快速运动减慢了他们的时钟。但是一般相对性的效果要大得多。）

两个都：E. Otwell.

本文出现在2015年10月17日，科学新闻与标题，“抓住重力：爱因斯坦的天才重建科学对宇宙的看法。“