广义相对论

想象一个生活在几乎完全平坦的表面上的二维生物社会。在一个地方的表面包含一个凸起,这是从一个更大的三维视角可见空间其中包含曲面。

从三维的角度,想象一个点P在凸起的顶部,有一个圆l在它的底部和几条线,R1R2R3., ...Rn,从P到不同的点l

二维生物完全可以用二维尺子在二维表面上进行测量,从而毫不费力地确认所有的线条R长度相等,因此所有的端点都相等Rl等距P.换句话说,他们很容易确认这一点P是一个圆。众生也可以轻易地进行测量l的周长。然而,当他们这样做的时候,他们会发现这个圆的周长和它的半径(任何一个圆的长度)之间的比率R)小于2π。以这种方式,众生将能够发现内在的表面l是不是平的:他们的世界里包含了一个额外的东西他们自己无法直接体验。

直到大约19世纪中叶,没有人怀疑这样的考虑可能适用于三维空间——普通空间可能包含额外的维度人类不能直接体验。三维和更高维度的空间是弯曲的,其曲率原则上可以被观察者发现,这在数学上是可能的清晰的表达壮丽而深刻照明详细的Bernhard黎曼(1826 - 66),尼古拉·伊万诺维奇·洛巴切夫斯基(1792-1856)等。他们对“直线”的概念进行了有力而直观的概括非欧几里得的几何图形与空间一样直的直线遍历会适应。这些“广义直线”在数学文献中被称为测地线。

爱因斯坦对牛顿定律中的质量很感兴趣运动F测量物体受到外力加速时的阻力的质量(惯性质量)——总是与决定任何物质物体对任何其他物体施加吸引力的引力的程度的质量完全相同。这两个概念似乎没有任何关系。在上下文牛顿的力学在美国,它们总是一模一样,这是一种惊人而神秘的巧合。

正是这种等价性导致了任何给定的引力会将任何两个物质物体,无论它们的重量或结构,加速到完全相同的程度。这种等价性还包括任何两个物质体,无论它们的重量或结构如何,在引力场存在时都将共享一组物理上可能的轨迹,就像它们在真空中一样。

引力场对物体运动的影响完全独立于物体的物理性质,这一观察结果迫切需要对其进行几何理解万有引力.的的想法在自由空间和引力场存在的情况下,物质体的运动只有一个简单的规律。法律规定轨迹物质物体的基本原理是测地线,而不是欧几里得直线,引力不是一种力,而是一种对宇宙定律的偏离欧几里德几何.如果所涉及的几何是三维物理空间的几何,那么这样的定律是不可能存在的。

爱因斯坦首先提出了惯性场和引力场的局部等效原理,这是惯性质量和引力质量等效的一个更强大、更普遍的版本。根据这一原理,支配所有物理现象的时间演化的规律相对于参考系也就是在引力场中自由落体与控制这些现象的时间演化的规律在惯性系中是完全相同的。经过多年惊人的经过努力,爱因斯坦能够将这一原理发展成一个完全相对论性和完全几何的引力理论:广义相对论。

爱因斯坦最后产生的是一套微分方程年代,所谓的爱因斯坦场方程,与几何有关时空质量和的分布能源在它。广义相对论包含这样一个定律,即时空的四维几何和时空内质量和能量的四维分布必须共同构成爱因斯坦场方程的解。

在这个理论中,时空不再是一个固定的背景,世界的物理历史在此背景下发挥作用,而是以自己的权利,一个积极的参与者动力与所有其他实体平等的实体。虽然这可能意味着一个关系主义者概念关于时空,现在人们普遍认为这样的计划是不可能的。广义相对论致力于研究宇宙中单个粒子的哪些运动是可能的,哪些不可能宇宙,它也允许宇宙的存在,其总角动量小于0。此外,它继承了所有的结构性敌对关系主义的特征特殊的理论,如上所述。

爱因斯坦场方程的解导致了有限但没有边界或“外部”的宇宙——例如,在空间中,一条在任何方向延伸到足够远的直线最终都会回到起点。其他的解决方案使得穿越到过去成为可能。这个特殊的例子一直是许多科学和哲学研究的主题审查近年来,因为这似乎导致了完全的逻辑矛盾——比如一个人穿越到过去,在自己出生前谋杀了他的父母。