廣義相對論 逆天而生12 人類的智慧

1905年，愛因斯坦完成了狹義相對論，狹義相對論無法將牛頓提出的萬有引力納入進去。牛頓認為，兩個物體無論距離有多遠，萬有引力都能夠瞬間傳播，就是說萬有引力傳播的速度是無限大的。而愛因斯坦的狹義相對論認為任何信息的傳播速度都無法超過光速。

愛因斯坦嘗試把引力納入狹義相對論，在1915~1916年以此為基礎成功的建立起廣義相對論並發表。牛頓萬有引力認為，任何兩個物體之間都存在互相吸引的力，就是萬有引力，萬有引力的大小與物體的質量和距離有關。為什麼會產生引力，牛頓沒能解釋。愛因斯坦的廣義相對論解決了這個問題，廣義相對論指出：引力是由時空~時間與空間彎曲產生的，這種彎曲使得從它旁邊經過的任何物體，包括光線也要因引力改變路徑。

廣義相對論的時空彎曲理論，預言了「引力透鏡效應」~遙遠星系等發出的光在靠近地球一側的引力下會發生彎曲，看上去會變形，或者更加明亮，這一現象有聚光的作用，所以通過引力透鏡有時候可以看到平時無法看到的遙遠星系。

廣義相對論認為引力是時間和空間彎曲，也就是說，引力不僅導致空間彎曲，還能夠改變時間的快慢。光線在經過大質量星體附近時，大質量星體造成的時空彎曲，使得經過的光線路徑發生彎曲，光線的彎曲造成光內側的距離變短，而光速是不變的，光線內側距離的變短意味著光線內側的時間也相應變慢，實際上引力越大的地方時間越慢。

1960年，通過實驗第一次驗證了廣義相對論所說的時間差，在22.6米的高度差內，每秒有0.0000000000000024秒的時間差。2010年，美國國立標準技術研究所測出33厘米高度差內的時間差是7000億分之一秒。

現在投入應用的GPS~全球衛星定位系統，能夠準確的定位，就是運用了廣義相對論的時空扭曲定律：GPS衛星飛行的速度大約是每秒4000米，根據狹義相對論，GPS衛星的時間比地年每天慢120微秒，GPS距離地面大約20000米，受到地球的引力比地面小，根據廣義相對論，GPS衛星上的時間比地面快150微秒，所以修正GPS上時鐘和地面同步每天要修正30微秒的時差，30微秒的時間差換算成距離後，如果不和地面同步，帶來的誤差是大約10000米，如果不修正，誤差如此巨大，GPS也沒要存在了。

廣義相對論認為當時空彎曲無限大時，會形成一個連光都會被吞噬無法逃脫的區域，這一天體就是黑洞，也就是說廣義相對論預言了黑洞的存在。20世紀70年代，科學家觀測到來自天鵝座X~1的x射線，第一次證實了黑洞的存在。黑洞周圍的物質被黑洞巨大的引力吸引，逐漸螺旋下落形成一個吸積盤，吸積盤在高溫下發x光等射線，所以間接觀測到黑洞。

廣義相對論預言的時空的漣漪~引力波的存在，引力波是指空間伸縮以波的形式向周圍傳播的現象。廣義相對論認為，黑洞和中子星等超高密度物體運動時，會導致空間波動象水面上泛起的波紋那樣向四周擴散。黑洞或中子星在合併時會發射強烈的引力波，引力波通過地球時會導致空間的波動，波動的大小由產生引力波的天體與地球的距離而不同。引力波極其微小，從太陽道地球這麼長的距離內，一般引力波導致的空間波動只有一個原子大小。

2016年2月11日，美國引力波探測站第一次探測到引力波，證實了引力波的存在。這次探測到的引力波是由互相繞轉的黑洞逐漸靠近，碰撞合併到一起引發的，兩個黑洞的質量分別是太陽質量的36倍和29倍，合併後黑洞的質量是太陽的62倍。36+29=65，和並後的黑洞是太陽質量的62倍，兩個黑洞合併後損失了3個太陽的質量，根據質能轉換公式，損失的3個太陽的質量轉化為巨大的能量，以引力波的形式釋放到宇宙空間里。這次探測到的空間波動最大為一毫米的一萬億分之一的一百萬分之一，引力波波源在大麥雲方向，距離地球大約13億光年。

廣義相對論與狹義相對論合稱「相對論」，相對論與量子力學是構成現代物理學的兩大基石，現代物理學是人類最高智慧的體現，對於宇宙的探索，人類一直在不懈的努力。

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