有没有通往未来的路？

相对论是关于物质运动和时空关系的理论。它是现代物理学的理论基础之一。相对论是本世纪初爱因斯坦等人在总结实验事实(如迈克尔逊-莫雷实验)的基础上建立和发展起来的。在此之前，当人们按照经典的时空概念(主要以伽利略变换为代表)解释光的传播时，导致了一系列尖锐的矛盾。建立了物理学中新的时空现象和高速物体的运动规律，对未来物理学的发展具有重要意义。相对论可以分为狭义相对论和广义相对论两部分。1938+0905年建立的狭义相对论的基本原理:

在任何惯性参考系中，自然规律都是一样的，这就是所谓的相对性原理。

在任何惯性系中，真空中的光速都是一样的，也就是光速不变的原理。

得出时间和空间的量从一个惯性系变换到另一个惯性系时，应满足洛伦兹变换，而不是伽利略变换，并由此导出许多重要结论，如:

①两个事件的先后顺序或是否“同时”在不同的参照系中是不同的(但因果律仍然成立)。

②测量物体长度时，运动物体在其运动方向上的长度会比静止时短。同样，在测量时间历程时，我们会看到运动的时钟比静止的时钟慢。

(3)物体的质量随着速度的增加而增加，关系式为静止质量，称为静止质量。

任何物体的速度都不能超过光速。

⑤一个物体的质量和能量满足质能关系。

上述结论与目前的实验事实相符，但只有在高速运动时效果才显著。一般情况下，相对论效应是极小的，所以经典力学可以认为是低速相对论力学的近似。1916年，广义相对论成立，其基本原理如下:

广义相对论原理，即自然规律在任何参考系中都可以用相同的数学形式表示。

(2)等效原理，即小体积范围内的引力与加速系统中的惯性力相互等效。

根据上述原理，引力是由于物质的存在和一定的分布，使得时空质量不均匀而产生的(所谓时空弯曲)；引力场理论成立。狭义相对论是广义相对论在引力场很弱的情况下的特例。从广义相对论可以得出一些重要的结论，比如水星近日点的岁差定律；光在引力场中弯曲；在强引力场中，时钟变慢(或者引力场中的谱线向红端移动)等。这些结论与后来的观察结果基本一致。近年来，通过测量雷达波在太阳引力场中来回传播的时间延迟，广义相对论的结论得到了更高精度的证实。相对论具有重要的历史意义，但仍有许多问题需要研究。

空间弯曲

验证广义相对论的实验

1，爱因斯坦指出了三个验证实验。

1905年，当爱因斯坦发表著名的历史文献《论运动物体的电动力学》并建立狭义相对论时，他的理论并没有被人们所接受，很多人(包括一些有声望的科学家)都怀疑甚至反对，因为狭义相对论的全新时空观与物理学的经典概念大相径庭，不可思议，因为缺乏实验验证，也因为爱因斯坦当时才二十多岁。

爱因斯坦并没有因此而却步，他继续考虑将相对论推广到非惯性系。从1907到1916，爱因斯坦连续发表多篇文章，不断完善广义相对论理论，引入黎曼弯曲空间。在1916出版的《广义相对论基础》中，爱因斯坦指出:牛顿的引力理论可以看作是相对论引力理论的一级近似。爱因斯坦还指出，可以通过测量行星轨道近日点的进动、光在引力场中的弯曲和星系谱线的引力红移来验证广义相对论。

2.行星轨道中近日点的进动

根据牛顿运动定律和万有引力平方反比定律，太阳系中行星的运行轨道应该是一个严格的椭圆和闭合曲线，太阳位于椭圆的一个焦点上。但是从1859开始，天文学家发现行星的轨道并不是一个严格封闭的椭圆。行星每绕太阳旋转一周，其椭圆轨道的长轴就轻微旋转一周，这通常被称为行星的近(或远)日。如图1所示，尤其是距离太阳最近的水星，其岁差观测值为每100年一次。一般认为，水星不仅主要被太阳吸引，还会被太阳系的其他行星吸引。而且，人们是从地球也在自转、公转的非理想惯性系中观测的，所以有缓慢的岁差。用牛顿引力理论计算，考虑上述影响，岁差值仍小于实际观测值。数值虽小，但超出了观测精度的允许误差范围。而且太阳系其他行星也有类似的近地点冗余进动，数值很小。

为了解释这种差异，成功预言海王星存在的天文学家列维预言，在太阳附近有一颗未被发现的小行星，即水星轨道上的一颗“水下行星”。这颗水下行星对水星的引力作用导致了多余岁差值的出现。然而，预测的天空区域被仔细搜索了许多年。这个想象中的水下星球从未被发现过。水下星球成为牛顿引力理论多年未解的难题。根据广义相对论，一个天体的质量越大，其周围的时空就越弯曲。星球在弯曲的时空里沿着短程线运动。水星是离太阳最近的行星，这里的引力场比太阳系其他行星强很多，时空也弯曲得很厉害。此外，水星的轨道偏心率较大。所以水星近日点的超额岁差比其他行星大。爱因斯坦在1915年根据广义相对论计算出的水星近日点超额进动与实际观测相当吻合。因此，水星轨道近日点的进动被视为广义相对论建立初期的第一次重大实验验证。后来测得的地球、金星等行星的近日点岁差也与广义相对论的计算相当吻合。

3.光在引力场中的偏转

根据广义相对论，光在引力场中会发生弯曲和偏转。但由于这种偏转非常小，在地球上不容易观测到。爱因斯坦在1911中指出，如果利用日全食的特殊时机，我们可以在测量日全食时，测出那些看似位于太阳附近的行星的位置，然后与这些行星平时的位置进行比较。应该观察这种偏移。1916，而他计算出光线经过太阳附近的偏转角是。1919南半球发生日全食时，英国派出了由天文学家A.S .爱丁顿率领的两支远征观测队，分别在西非和巴西进行同步测量。获得了测量的偏差。

未来日全食过程中的类似观测也支持广义相对论的结论。毕竟日全食的机会比较少，科学家希望这样的实验可以在其他时间进行。20世纪60年代以后发展起来的射电天文学，使人们能够在平时用射电望远镜测量被太阳覆盖的射电源，分辨率大大提高。19438+0975年观测到的经过太阳表面附近的无线电波的偏转角与广义相对论预测的相同。

4.谱线的引力红移

根据广义相对论，光在引力场中传播时，其频率会发生变化。当光从引力场强的地方(如太阳附近)传播到引力场弱的地方(如地球附近)时，其频率会略有降低，波长会略有增加，即发生引力红移。当光向相反方向传播时，其频率会增加，波长会缩短，即发生引力蓝移。爱因斯坦在1965438+。

各种恒星大小的比较

白矮星质量大，半径小，发出的光引力红移效应明显。1925年，天文学家W.S .亚当斯观测到一颗白矮星天狼星A，测得的引力红移与广义相对论理论基本一致。20世纪60、70年代测得的太阳谱线引力红移值与理论值的不确定度小于5% ~ 7%。

近地面高度差几十米的两点之间传播的光，应该也会产生引力红移，但引力红移的变化更小，只有一个数量级。1958中用一般实验手段难以观测到的穆斯堡尔效应的发现，为在地面上精确完成引力红移实验提供了可能。庞德(R.V.Pound)和雷布卡(C. Rebka)将钴57发出的射线从22.6m高的塔顶射向地面的接收器，利用穆斯堡尔效应测量塔底的频率。

5.第四大验证实验——雷达回波延迟

除了上面讨论的三个验证实验，I.Shapiro在1964中提出用雷达回波延迟实验来检验广义相对论。根据广义相对论，物质的存在和运动引起周围时空的弯曲，光在大质量物体附近的弯曲可以看作是一种折射，相当于光速减慢。当雷达波到达行星表面并反射回地球时，就可以测出一次往返所需的时间。通过比较雷达波在太阳附近传播的往返时间和远离太阳的往返时间，可以得到雷达回波的延迟时间。

夏皮罗团队先后在水星、金星和火星上进行雷达回波延迟实验，后期实验数据与广义相对论理论值的不确定度约为65438±0%。80年代初，利用登陆火星表面的海盗号探测器，雷达回波延迟实验值的不确定度降低到0.65，438+0%，有力地支持了广义相对论。

6.间接证明引进技术存在力波-脉冲双星观测

根据广义相对论，物质以不对称的方式加速产生引力波。爱因斯坦证明了引力波的传播速度与电磁波相同。牛顿的引力理论中没有引力波。如果能观测到引力波，那将是广义相对论的一大胜利。但由于引力效应比电磁效应弱很多个数量级，以现有的材料和实验手段还无法在地球上人工产生可探测的引力波。人们不得不把希望寄托在探测质量巨大的天体物理过程产生的引力波上。

1967年，天文学家S.J .贝尔和A.Hewish用射电望远镜发现了脉冲星。后来证明脉冲星是中子星。射电望远镜接收到的脉冲信号是中子星旋转时磁极发出的电磁波。在1974，R.A.Hulse和J . h . Taylor Sr 1913+16)。根据广义相对论，脉冲双星在自转时会辐射引力波。脉冲双星(PSR 1913+16)辐射引力波的功率不小，有W，但是双星离地球太远，引力波能流密度到达地面。目前还没有方法可以探测到如此微弱的引力波。但根据广义相对论，引力辐射阻尼是由于脉冲双星辐射引力波时不可避免的能量损失，即双星系统的能量会降低，周期会变慢。经过近20年的观测，发现脉冲双星的运动周期在稳步减小，周期变缓的变化率与广义相对论的理论值相当一致。因此，对脉冲双星的观测被认为是引力波存在的间接证明。霍尔和泰勒因发现脉冲双星而获得了6500英镑的奖金。

引力波的直接探测是实验物理学的主要课题之一，这将进一步检验广义相对论。西方发达国家投入了大量的人力物力进行研究，至今还没有得到满意的数据。

宇宙的加速膨胀

宇宙的浩瀚和神奇令人惊叹和着迷。朵朵星系的基本成分是像恒星一样发光的“重子型物质”，但宇宙中也有相当多的“重子型物质”，如星云、行星、矮星、黑洞等。所谓重子型物质，是指人们在地球上或实验室中经常遇到的普通物质或其不同的蜕变。

超新星的坍缩

令人惊讶的是，所有重子物质只占宇宙的4%左右，其中26%被称为暗物质，70%左右被称为暗能量。这些“暗物质”和“暗能量”是全新的形式，人们对它们不是很了解。宇宙不仅成分特殊，而且也不像乍看上去那样是静止的。宇宙实际上是动态膨胀的。

通过高精度望远镜，我们可以观察到遥远恒星发出的星光谱线向红端移动。光谱红移说明恒星在退行，距离恒星越远，光谱红移越大。如果宇宙以同样的速度膨胀，距离与红移成正比，这就是著名的哈勃定律。1998，科研进步很大。科学家发现，宇宙并不是人们一直想象的那样。因为只有物质存在，所以它应该减速膨胀。相反，宇宙正在加速膨胀。这预示着宇宙的主要成分不是物质，而是一种全新的形态:“暗能量”。2000年，宇宙加速膨胀有了一个重要的证据，就是对宇宙微波背景各向异性的精确测量。

20世纪60年代初，科学家发现宇宙中存在3K度微波背景辐射。其实是高温热爆炸充分膨胀后宇宙的残余温度，而且相当均匀，各向同性。然而，3K度微波背景辐射具有万分之一的非均匀起伏，其中包含了极其丰富的早期宇宙的宝贵信息。正是从对这些信息的分析中，人们了解到宇宙是平的。而且，它有上述成分的比例。不同方法的天文观测，如星系团的X射线分布，引力透镜，宇宙年龄的推断，大尺度结构演化，给出了更多的证据。宇宙中含有不到40%的“物质”，包括“重子型”和“黑暗型”。各种成果的交叉验证，基本上印证了我们对宇宙的整体看法，这是非常了不起的成就。

然而，挑战也很严峻。“暗物质”的本质是未知的。它和我们普通的“重子型物质”之间没有电磁和强相互作用，所以很难探测到。我们只靠它的大尺度引力效应来推断它的存在。相当多的科学家希望“暗物质”是粒子标准模型假设的超对称扩展版本中所谓的“中性粒子”。然而它的存在还远未被实验证实。至于暗能量，就更神秘了。粒子物理学知道，真空能量作为暗能量的可能形式之一，被称为宇宙常数，但它总是比宇宙学中所需的暗能量高几十个数量级。这表明我们的基础物理学存在重大缺陷，正面临危机。

此外，一种类似“宇宙常数”的“真空能量”的存在，将主导宇宙的未来，我们今天所能看到的所有星系，都将加速飞出我们的视线，再也不会回来。因此，我们必须结合粒子物理和宇宙学的最新成果，研究宇宙给基础理论带来的严峻挑战，展现更让人放心的宇宙未来前景。

奇异

回顾从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦的科学发展过程，我们可以认识到，任何物理理论都有自己的成功和失败，或者说有自己的有效和无效范围。解决老问题和提出新问题往往是同一个理论的两面。牛顿解决了很多亚里士多德没有解决的问题，但也留下了自己的困难。爱因斯坦解决了牛顿理论中的许多困难，但也带来了新的问题。

爱因斯坦广义相对论最大的问题之一就是奇点。黑洞的解和宇宙学中都有奇点。引力坍缩的最终结果是奇点。大爆炸的起点也是奇点。

奇点具有一系列奇怪的性质，如无限的物质密度、无限的压力、无限弯曲的时空等。此外，在奇点，所有形式的因果关系都消失了，这使得我们无法谈论过去或预测未来。有一段时间，物理学家认为奇点可能只是数学形式带来的东西，但实际上是可以避免的。没有完全对称的几何结构，也许就没有奇点。但从20世纪70年代开始，霍金和潘罗西证明了奇异性是广义相对论中普遍的、不可避免的东西。当广义相对论应用于宇宙时，奇点必然会出现，就像牛顿力学在宇宙学中不可避免地遇到某种无穷大一样。

牛顿体系中一些不合理的无穷大说明牛顿理论在一定条件下不再适用，广义相对论中奇点的必然性也可能是广义相对论局限性的一种表现。爱因斯坦自己就是这样看待这些奇点的重要性的。他说:“人们不能假设这些方程对于高场密度和物质密度仍然成立，也不能得出膨胀的开始一定意味着数学奇点的结论。简而言之，我们必须明白，这些方程不能推广到这样的地区。”因此，我们必须寻求可以扩展到这类领域的理论。

在爱因斯坦之后，人们主要从两个方面发展了爱因斯坦的理论，一是将广义相对论与量子理论相结合，二是将广义相对论与其他基本相互作用统一起来。