广义相对论的基本思想和数学框架

扫地僧说课程 2025-03-09 20:20:46
广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出的一个革命性理论,它描述了引力是如何作用于物质的,并且提供了一种全新的看待时空和物质相互作用的方式。与牛顿的引力理论不同,广义相对论认为引力不是一种“力”,而是由物质和能量引起的时空曲率的结果。广义相对论不仅改变了我们对引力的理解,也为宇宙学、黑洞等领域的研究提供了重要理论支持。本文将详细阐述广义相对论的基本思想及其数学框架。 广义相对论的基本思想广义相对论的核心思想是,物质和能量能够引起时空的弯曲,而弯曲的时空决定了物体的运动轨迹。这种观念基于两个基本原理:等效原理和时空的几何性。 A)等效原理:等效原理是广义相对论的基石之一。它指出,在一个自由下落的参考系中,重力效应与加速度效应是无法区分的。换句话说,处于自由下落状态的物体感觉不到引力的存在。因此,局部的引力效应与加速度效应在物理上是等效的,这一原理为爱因斯坦构建广义相对论提供了重要的启示。 B)时空的几何性:广义相对论认为,时空并不是平坦的,而是可以被物质和能量所弯曲。爱因斯坦提出,时空的弯曲程度与物质和能量的分布密切相关。物体在弯曲的时空中沿着称为“测地线”的轨迹自由运动,测地线可以看作是弯曲时空中的“直线”。因此,引力不再被视为物体间的相互作用力,而是物体沿着弯曲时空的运动。 广义相对论的数学框架广义相对论的数学框架是基于黎曼几何(Riemannian geometry)和微分几何的。广义相对论的核心方程是爱因斯坦方程,它描述了物质与时空的关系。爱因斯坦方程的数学形式为: R_μν - (1/2) * g_μν * R = (8πG/c^4) * T_μν 其中,R_μν是黎曼曲率张量,g_μν是度规张量,R是标量曲率,T_μν是能量-动量张量,G是引力常数,c是光速。 A)黎曼曲率张量:黎曼曲率张量R_μν是描述时空弯曲的数学对象。它表示了时空中每一点的几何性质以及该点附近的物体如何受到引力的作用。黎曼曲率张量可以通过度规张量和其导数来计算,它的存在揭示了引力与时空的关系。 B)度规张量:度规张量g_μν描述了时空的几何结构。它定义了时空中两点之间的距离,也可以用来计算物体在时空中的运动轨迹。度规张量的元素决定了时空的弯曲程度,从而影响物体在其中的运动方式。 C)能量-动量张量:能量-动量张量T_μν描述了物质和能量的分布情况。它不仅包含了物质的密度,还包括了物质的动量密度和压力。能量-动量张量的形式反映了物质和时空之间的相互作用。 广义相对论方程的推导广义相对论的核心方程,即爱因斯坦方程,描述了时空的曲率如何与物质和能量的分布相联系。推导爱因斯坦方程的关键是理解时空的几何性和物质的分布如何相互作用。首先,爱因斯坦认识到,引力的源是物质和能量,而引力的效果表现为时空的弯曲。因此,他提出一个数学模型,将物质和时空的弯曲联系起来。 爱因斯坦方程可以通过以下方式推导得到: A)几何学部分:通过黎曼几何,我们可以用曲率张量描述时空的几何性质。曲率张量反映了时空的弯曲程度,因此它是物质如何影响时空的几何结构的量度。 B)物质的分布:物质和能量的分布通过能量-动量张量T_μν来描述。能量-动量张量包含了物质的分布信息,反映了每个点的能量、动量和压力。爱因斯坦假设,物质的分布决定了时空的曲率。 C)方程的平衡:爱因斯坦方程的两边分别表示了时空的几何性质和物质的分布。通过等式的平衡,我们得出了爱因斯坦方程的最终形式,它揭示了物质和时空的相互关系。 广义相对论的核心预测与应用广义相对论不仅仅是一个理论框架,它还通过一系列核心预测和实验验证,成为现代物理学的基础之一。广义相对论的几个重要预测包括黑洞的存在、引力波的存在、以及天体的轨道偏移等。 A)黑洞:根据广义相对论,质量和能量可以将时空弯曲到极端程度,形成一个无法逃脱的“黑洞”。黑洞的引力场如此强大,以至于连光也无法逃脱。黑洞的存在在天文学中得到了大量证据,包括通过观测星系中心的超大质量黑洞。 B)引力波:引力波是由爱因斯坦方程预测的时空波动。当巨大的天体(如黑洞或中子星)发生剧烈运动时,它们会激发引力波,向外传播。2015年,LIGO实验首次直接探测到引力波,为广义相对论提供了重要的实验验证。 C)天体的轨道偏移:广义相对论预言,天体在强引力场中运动时,其轨道将会发生偏移。一个经典的例子是水星轨道的进动,广义相对论能够解释水星轨道中的异常偏移,这是牛顿引力理论无法解释的现象。 广义相对论的实验验证与挑战广义相对论的提出并非空穴来风,它通过多个实验和天文观测得到了验证。除了引力波和水星轨道偏移等现象,广义相对论还在许多方面表现出了极高的预测精度。然而,尽管广义相对论已经在许多实验中取得了成功,它仍然面临着一些挑战。 A)量子引力问题:尽管广义相对论成功地解释了引力和时空的关系,但它与量子力学之间仍存在矛盾。在微观尺度下,广义相对论与量子力学无法兼容,这导致了量子引力问题的出现。目前,科学家们正在寻求量子引力的理论,包括弦理论和量子场论等。 B)暗物质与暗能量:广义相对论在解释天体的引力作用方面取得了巨大成功,但它仍然无法解释暗物质和暗能量的存在。暗物质和暗能量的存在影响着宇宙的演化,它们的性质尚不明确,是当前物理学研究的重要课题。 结语广义相对论不仅仅是爱因斯坦的一个理论突破,它彻底改变了我们对宇宙的理解。通过引力和时空的相互关系,广义相对论为解释从天体运动到宇宙结构的各类现象提供了强有力的理论支持。尽管它仍面临一些挑战,尤其是在量子引力的框架下,但广义相对论依然是我们理解宇宙的最精确的理论之一。随着科学研究的深入,广义相对论将继续为我们揭示宇宙的奥秘,并推动新的物理学理论的发展。
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评论列表
  • 2025-03-11 23:00

    ❌波与场❌都是数学当物理,捉影弄鬼的把戏::水波/声波/沙丘波是物质/粒子相对运动的宏观时空分布。水本质粒子是不变存在,水波是可有可无的变化现象。❌波粒二象性?以干涉衍射现象否定光是粒子,又去解释粒子干涉衍射,是骗术笑话。更荒唐在于二象性祸害了认知自然的核心根基/同与不同的确定性。❌场是数学虚幻,只能由源完全确定,无源场不可观测(源/月球潮汐力不是XX场力,源能量不是场能量),物质的场到处飞吗?飞的方向如何确定?场速是光速,地球速度显然不同,地球场跑了吗?………赫兹电磁波实验,激励源是电火花,感应接收也是电火花,显然是光子动能传播与光电效应(发现晚于赫兹实验),用了电磁波来解释而已。电磁波理论(尚未发现电子)只是基于宏观电磁观测的数学方法,牛顿的物质相互作用相对运动才是一切宏观微观现象的唯一根本!!带电质量体是物质本质属性,不需要也不可能由变化磁场产生,磁力对电磁粒子做功影响了正负电荷分布而已。❌水波声波不可能象光子一样真空直线传播。光是电磁粒子,当然可以穿越真空且与物质有相互作用。两朵乌云包括光电效应当然都是电磁理论的谬误证伪,骗子借机祸害经典力学体系,何其疯狂??

  • 2025-03-13 20:07

    天地人都是不均匀变化的电磁场,人之间有引力和斥力,二都相互依存和转换。天、地、物都是如此。 作用(付出、因)与反作用(回报、果),做好(强)自己。物理说实验、文献报告, 天地人都是变化不均匀的电磁场,只是大小而异。 万有力与电磁力的统一是:物体(粒子、星球)之间不但有引力还有斥力,二者相互依存、相互转换,都是电磁力,质量也跟随变化。中子、原子是带电的,物体是带电的。物体内外都有变化的电参数,还有变化的机械参数。能解释太多的现象,包括人类社会现象。宇宙、地球、动植物是个大化工厂。 黑洞是一台非常大的水泵(风机) 真空有电流 时间是事物变化过程! 光内外同样有引斥力及转作用 有作用力就有反作用力,是基本平衡的,多善出少入积德。宇宙有平衡法则 从黑洞到量子,再到人都会纠缠,光子内外也有引斥力。

  • 2025-03-11 22:59

    悖论斯坦五大骗术V3: ——1.蔑视自然创造反公理假说。绝对速度,相对时空,无源场,,, ——2. 数学冒充物理,假说演绎方程,搞虚幻数学“物理”概念,破坏基本概念和认知体系。虚幻数学相对时空、数学质量、数学能量。相对速度无穷多,有高低速之分吗?光是绝对速度钉子户?力与质量有宏观微观两套规则?数学冒充物理追不上芝诺乌龟,笑死人。 ——3. 以不确定性观测精度攻击确定性引力公理,以认知进化祸害绝对真理。不变现象1+1=2是绝对真理,需要相对论修正吗?宏观电磁理论描述微观粒子电磁行为当然不行,两朵乌云和光电效应矛盾都证伪了电磁理论,骗子却借机祸害伽利略变换! ——4. 指鹿为马,指马为鹿,搞二象性,破坏观测自然同与不同的确定性,祸害认知自然的核心根基。 ——5. 无中生有的假说(鬼)解释稀奇谎称证明全称命题,且无耻于悖论,诱骗别人证明没有鬼,搞万能骗术!!………水星进动证明的大笑话:(A).号称证明全称公设是欺骗。 (B).忽视了水星电磁力等影响因素(1974地外水星探测),居然弄出高精度?活见鬼还是见活鬼?(科学求真需要批判精神,虽异常艰难但绝不应包容悖论欺骗!)

  • 2025-03-11 23:01

    ❌以太的小胆太小了???以太是波动学派的(根基)托辞遮羞布,悖论斯坦干脆厚脸皮直接骗,让波搞独立单干/和物质质量说拜拜,来个二象性指鹿为马,无源场也用上!再诠释诠释,高速低速搞区别对待,宏观微观弄成不同,质量尺寸时间都弄成可以变,能量搞成数学能量,,,还不行?绝对时空也不要了,相对运动搞成残废/让光绝对运动,相对时空更美妙可惜惯性系不同意。又不行了??什么能难住骗子呢?换个假说继续骗,搞广义的,把空间也搞弯,轨道电子不干就不管它了,物质相互力也弄点鬼,,,,用假说无中生有(🍎哈哈,我说有鬼谁能证无?)号称证明全称命题,脸厚怕啥?坚决把大胆假说革命进行彻底/1955/game over? ❌❌悖论斯坦,悖论潘多拉,终身搞骗祸害人类科学。一个终身肮脏的灵魂。

  • 2025-03-11 22:58

    牛顿研究上帝神学,是敬畏信任自然,希望自然哲学与上帝协调一致。牛顿归纳万有引力是只能如此理解(公设),不知道为什么有引力而且确定明天还有???这种人类认知自然的极限困惑(任何不变真理没有原因),成了悖论斯坦的搞骗技巧。居然有人贬低嘲笑牛顿。………自然绝对诚实有确定性/决定论,有复杂性::意识可以作用于人体(物质),对自然现象具有广泛扰动。万物普遍联系持续发展,复杂现象有观测困难的不确定性(水往低处流隐藏了万有引力)。修水坝不是改变自然法则,是意识作用下重复不变法则演绎新的自然现象。🍎信任自然/唯物主义,观测确定树上苹果数量,不是唯心主义/假说猜测不确定,观测归纳(必要充分真实)认知自然/真理,有了真理才有“因果思维”演绎论证预测,从来如此,只能如此,是人类生存和科学的唯一根本。………所有自然规律都是对过去自然现象的观测归纳,为什么这些规律在未来还是那样?没人知道(科学尽头),不知为不知也!❌过度好奇心与不诚实滋生欺骗!!信任自然/唯物主义的信念(观测归纳)是根本,假说诠释自然搞骗是祸害!!将绝对诚实的自然想象成上帝或神,是一种敬畏自然的信仰罢了。

  • 2025-03-11 23:01

    ⭕️⭕️天不生牛顿万古如长夜………一个有缺点的人,牛顿,站在自然哲学的巅峰,伟大的辩证归纳法。其后的哲学家都在山脚下爬,很多爬行的方向都是错的。莱布尼兹说,人类数学的一半工作是牛顿完成的。而且,牛顿让数学插上了翅膀得以进入物理现象演绎的新天地。牛顿建立了自然科学的大厦,其它人只是搞搞门窗,还有不少假说/证明的坏人总是趾高气扬地挖科学大厦的墙脚。

  • 2025-03-11 23:01

    ❌质能方程是一个鬼把戏!!!———能量的具体内涵是动能和势能,是物理公理规定的物理概念。物质质量是其不变的内在本质,能量(动能和势能)都是物质相互作用和相对运动变化的度量(质量不变),是变化现象。能量不是物质的本质,咋能与孤立质量等效???场无质量居然有能量?………数学(包括逻辑)都是基于物理公理的演绎,超越物理公理的数学能量理解当然是虚幻(1+1=2是自然哲学/物理公理,牛顿定义自然哲学公理作为数学原理)。………🍎🍎物质的本质是带电质量体,物质不灭,电荷守恒,电磁力与万有引力统一于物质的不变本质。能量,力,场,波等宇宙一切自然现象,都是物质/粒子相互作用相对运动的变化现象,变化现象当本质(不变现象)是思维错乱丧心病狂。号称物质是波/波是物质/物质是能量,都是搞骗。质能等效是脱离基本公理的数学虚幻,欺师灭祖&蔑视自然,祸害基本概念和认知方法。———有人知道悖论斯坦的狗屁能量内涵是啥吗???狗屎核弹方程是如何应用的???………有趣的是木星象太阳一样自发光,它们的大气也相似。木星是裂变发光还是聚变发光??木星大气中的氦和氢有没有可能是裂变反应释放的???

  • 2025-03-11 23:00

    ❌解释光电效应是个笑话。物理机制根本没有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应不是真理,是毒药祸害,掩埋了科学真相阻碍了求知探索,贩卖自然因果骗术!!!………证明光速不变(全称命题)是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。多普勒效应和红移就是相对光速变化。光子进入引力场比如黑洞光速不变??光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗???⭕️迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::证伪了麦克斯韦的电磁以太/电磁波学说,有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。光子对实验装置相对速度基本不变,两路速度差极小,地球重力对光子速度影响太小10^-16,也测不到,近似为惯性系。

  • 2025-03-11 23:02

    孔乙己看不起牛顿经验归纳/实践出真知/短衣帮,更爱假说相对论之乎者也长衫子。假说“所有天鹅都是黑的”,找到一只黑天鹅,写论文皆大欢喜,号称证明了!假说科学不算假/读书人偷书不算偷,都是伟大的突破,物理革命!。。。 然后诠释号称应用………前天有人打了一个很响的臭屁,比蝴蝶效应还要猛。今天果然下雨获得了应用,臭屁的应用十分广泛。………为什么世界上只有三个人懂的XX论,获得了如此广泛的应用呢??诠释一切,应用也靠诠释??答案只有孔乙己知道!———演绎卫星发射控制,都是不得不去用牛顿力学,清清楚楚的,需要写论文诠释吗?

  • 2025-03-11 22:59

    有人说数学是工科之母,是有道理的!❌数学冒充物理是骗术:数学是语言推理比较表达功能的特例,是应用广泛的思维演绎工具,必须从公理前提出发才能获得确定性。认知自然/想知道能不能趟过一条河?依靠观测归纳,从来如此只能如此。🍎牛顿定义自然哲学公理作为数学原理//思维演绎因。广义物理观测发现新现象,辩证法归纳公理概念符号文字(形而上学),发现了不变现象/真理1+1=2等,创造了数学。❌绝对时空也是不变的真理,可无限细分叠加,不均匀弯曲时空搞微积分是笑话。为名利鼓吹数学,数学冒充物理(2维蚂蚁10维爸爸),虚幻无边,欺师灭祖!🍎数学冒充物理追不上芝诺乌龟,是骗术。解释光电效应,普朗克公式,数学能量,空间弯曲,光速不变,相对时空,波物场物论,量子X学,,,,假说数学冒充物理,有害无益。质能方程数学能量与相互作用力/相对运动有关系吗?一支笔一张纸摇脑袋认知自然?是悖论潘多拉。祸害物理、哲学也祸害了数学,祸害科学祸害子孙祸害国家,更爱破烂长衫子,名利之徒!悖论斯坦……一个用数学冒充物理,假说自然欺师灭祖祸害人类的名利骗子,他居然成了科学的时髦???

  • 2025-03-11 23:02

    跟屁虫名利科学院,更爱帽子长衫子,到处搭台悖论斯坦鬼庙,培养大批孔乙己,崇洋媚外假大空,,,,是不是祸害子孙祸害国家?

  • 2025-03-11 23:02

    “背后作者”显然是一个搞科研的读书人。搞了什么项目骗国家??还要挖空心思地祸害人民的子孙??

  • 2025-03-11 23:00

    ⭕️时光倒流是数学当物理的骗术!8分钟前的太阳光,亿万年前的琥珀苍蝇……人有意识记忆先后/物质没有位置速度先后(时间)!!用光观测雷电(来的快),声音观测雷电(有滞后),都不能改变雷电本身。绝对空间处处不同,钟摆移到月球变慢了需要相对论修正?谁的时间倒流了?时光倒流/动作回退?悖论斯坦跳楼摔不死,要往天上飘?❌号称应用相对论修正GPS原子钟的笑话: 狭义让钟变慢,广义让钟变快,关键是反复修正还是不行(误差90%)!详见论文“部分相对论效应对北斗原子钟性能影响分析” ⭕️ 时间是意识记忆先后多少的真实感觉。少年记忆增长多感觉时间多/慢,老年相反!为了观测和思考表达 ,抽象理想化定义(固定不变)时间,如同数字1等公设定义,源自观测经验,不是假说,不是现象真,用于表达现象真。观测静止或闭上眼睛都不影响时间流逝感觉/意识记忆,时间与运动无关。记忆有绝对顺序(不回退倒流)是绝对时间,观测时刻就是现在,时间流动的感觉就是意识记忆在发生。………绝对时空/相对速度清清楚楚是不变现象,相对时空是数学虚幻,白日做梦。宇宙时时处处可放羊?钟摆移到月球上不变?都是鬼把戏。

  • 2025-03-11 23:01

    光速不变假说见证了高超的骗术!……光速可以测量,测量速度需要参考系,参考系移动改变了测量结果不变吗??笑死人了。 ———任何全称命题证伪当然有效,证明/证实当然无效。全称命题光速不变违背相对速度自然公理,已有效证伪!!!任何数学演绎能推理出来全称命题“光速不变”吗???无论多少次实验能证明全称命题“光速不变”吗???任何实验精度能证明“光速不变”吗???光速不变只能是创造假说当然是骗。相对光速/光速变化/超越光速当然都是正常现象。 光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗??光反射驱动光帆光速不变??相对速度变化导致多普勒效应和红移,是光速不变??光子离开黑洞速度变吗?光子进入黑洞速度(当然超越光速)也不变吗?掩盖谎言需要更多谎言!………光速常数C是电磁经验公式的一个常数,不是光速不变,地球引力常数G当前还在努力提高观测精度。———量子不确定性原理如何解释光速不变这种无限的确定性???号称场的速度是光速,地球速度显然不同,难道地球场跑掉了??

  • 2025-03-11 22:59

    ⭕️⭕️不是空间弯曲是道德弯曲。 —— 引力是空间弯曲?力是普遍的物质相互作用,空间弯曲是相互作用吗?质量体弯曲了空间又反作用于自己,自己干自己惯性运动完蛋了?弯曲影响运动还是影响受力?弯曲导致空间移动/空间跑掉了?速度是多少??如何观测?弯曲空间欺负质量/平直空间是好人?空间如何知道材料密度差异?骗子能用空间弯曲改变汽车导弹的运动?空间弯曲能弯住升空气球吗?体积太大会被空间卡死吗?无中生有活见鬼!不知为不知不好吗??❌绝对时空是不变的真理,支撑了几何学与微积分/无限细分叠加,不均匀弯曲时空能微积分?……人人可知空间静止可入,对物体没有任何作用。他居然胡编人人不知的空间弯曲当真理,胡编人人可知的时间是虚幻,完全是道德弯曲,丧心病狂!………质量随相对速度变化,笑死人😄!相对速度无穷多,哪有高速低速之分?静质量是相对哪个速度参考系呢?各个方向质量不同吗?………苏格拉底说,真理是唯一的,因果关系/诠释无穷多/是骗。❌不要搞道德弯曲,绝对空间的非惯性系变化及其观测才是真正的航天问题。

  • 2025-03-11 23:01

    ❌证实/证明理论是骗术:::需要证明的真理/理论是骗,号称证明真理/理论也是骗!!!真理理论作为预测未来的全称命题,证伪当然有效,证明/证实当然无效。号称证明XX论和万有引力定律,都是骗。实验只能证明具体现象是真实。 认知自然/想知道能不能趟过一条河?没有经验知识无法演绎应用,创造假说也没用,只能依靠观测归纳。所有自然规律都是对过去的归纳,未来不变,不变的原因是不知道,只能信任自然!——“相对真理”也是骗术,真理是客观存在的绝对真理,人类诞生之前月亮不运动吗??引力有没有??都是显而易见!仰望星空信任自然的地心说需要认知进化,能否定绝对真理??地心说依据的现象变了吗?没有!号称相对真理是悖论斯坦蔑视自然_欺师灭祖_搞骗的伎俩。❌❌大胆假设(规律),细心求证,都是骗术,是悖论斯坦发家(科学家)的“两头骗”!用假设猜想后脑勺肯定没用,搞1000年可解释一切稀奇的鬼故事(假说假设,不是公设假定)也真不了,牛顿自然哲学反对任何创造假说!!!无人机,潜水艇,轮子,核弹的发明创造都是由公理和观测经验大胆演绎的结果/现象,与自然复杂现象一样,真理不变现象无穷多。质能方程演绎狗屎造核弹有用吗?