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弯曲的时空

2016-07-11赵峥

中国科技教育 2016年5期

赵峥,1967年毕业于中国科技大学物理系,1981年于北京师范大学天文系获硕士学位,1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授,理论物理博士生导师、教育学博士生导师。

爱因斯坦猜测,万有引力可能是一种几何效应,可能是时空弯曲的表现。他推测,物质的存在造成了时空弯曲。由于万有引力只是时空弯曲表现出的几何效应,所以不应该把万有引力看作真正的力。单纯在万有引力作用下的质点运动,例如行星绕日运动、地球上的自由落体运动,都应该看作是不受外力的惯性运动。做惯性运动的“自由”质点,当然应该沿时空中的“直线”进行,也就是说自由质点应该沿短程线运动。

爱因斯坦觉得,建立新理论的关键是寻找两个方程。一个是物质如何决定时空弯曲的方程,他称其为场方程;另一个是不受外力的自由质点在弯曲时空中做惯性运动的方程,他称其为运动方程。

爱因斯坦在格罗斯曼的帮助下,很快掌握了黎曼几何的基本知识,并投入了寻找场方程的努力。这一工作耗费了爱因斯坦很大的精力和漫长的时间。他设想,方程的左端应该是描述时空曲率的项,右端应该是描述物质存在状态的项,即:

时空曲率=物质分布

右端的物质项用时空中能量和动量的分布来表述,其形式比较容易猜测,爱因斯坦很快就写了出来。……

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