广义相对论与几何

爱因斯坦场方程

爱因斯坦场方程是广义相对论的核心,是把物质与几何联系起来的法则。它的简洁形式是 G = (8 pi G / c^4) T。左边描述时空如何弯曲,右边描述充满其中的一切所具有的能量、动量和压强。让两边相等,你就得到了一条完整的引力定律。

物理学家惠勒曾精妙地概括它:物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。方程前面那个系数,分母里带着 c^4,数值极其庞大,正因如此,要把时空弯出我们能轻易察觉的程度,需要行星或恒星这般巨大的质量。引力即几何,但这是一种非常坚硬、极力抵抗弯曲的几何。

由于方程两边都是分量众多的完整几何对象,上面那一行其实代表着十个相互耦合的方程,它们出了名地难解。精确解只在特殊情形下存在,例如一颗孤立球形恒星周围的时空,或一个平滑膨胀的宇宙;其余情形物理学家只能求助于近似和超级计算机。黑洞、宇宙的膨胀,以及引力波,都从这些方程中涌现出来。

G_{μν} + Λ g_{μν} = (8πG / c⁴) T_{μν}

几何(左)等于物质与能量(右);Λ 项是宇宙学常数,与暗能量相关。

这些方程描述的是局部关系,而非瞬时的超距作用:源的变化以光速传播,这正是引力波存在的原因。

又称
EFEEinstein's equations引力场方程