时,这只是光速的千万分之一,不足为虑。地球卫星的轨道速度如10公里秒,这是光速的十万分之三。
因此轨道卫星的GPS计时系统在长期运行时要考虑相对论效应。以上就是四维时空引入的理由,那就是参考系统彼此联络信号光速的考虑。这里光线运动和自由粒子仍然是直线,所以时空是平直的。
随后爱因斯坦便开始考虑在引力场中的运动描述,而星体万有引力将带来加速运动,这将与匀速运动的狭义相对论时空变换完全不同,那里的观测者彼此匀速运动。直到1915年,在数学家格罗斯曼和希尔伯特的帮助下,整合了狭义相对论和牛顿万有引力定律于一体。
将引力场“力”的概念描述描述成时空弯曲,即光线在引力场运动走测地线,这好比地球表面的大圆。在地面,我们的经验告诉自己走路是直线,假如你的路延长20公里,可能会发现你自己的路向下弯曲了,因为地球是圆的。这在欧洲地中海航海史上,人们发现远方的船是慢慢地逐步跳下我们的视线。
这说明大海水面在大尺度是球面。但是在小范围,球面近视看成平面没有问题。同样的道理,在小的区域,引力造成的时空弯曲不明显,所以平直时空是完美近似。
当引力场较强,观测区域变大时,弯曲的效应就得考虑,否则误差太大。举例类比,在北京市区旅行,你不要考虑地面弯曲问题;但是北京到海南岛的大尺度旅行,纬度引起的地面弯曲就值得考虑了。所以在引力场下,狭义相对论(SR)+牛顿引力理论,变成了广义相对论(GR)。
当引力场极其微弱时,GR回归SR;当运动速度较慢时,GR回到牛顿引
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