广义相对论中有许多重要公式,其中核心的是爱因斯坦场方程(Einstein field equations):
Gμν=c48πGTμν
各项含义:
Gμν:爱因斯坦张量(Einstein tensor),它描述了时空的几何性质,具体定义为 Gμν=Rμν−21gμνR 。其中 Rμν 是里奇张量(Ricci tensor),反映了时空曲率的局部信息;gμν 是度规张量(metric tensor),用于衡量时空中两点之间的距离、角度等几何量;R 是标量曲率(scalar curvature),是对时空曲率的一种整体度量。
G:牛顿引力常数(Newton's gravitational constant), G=6.67430×10−11m3kg−1s−2,它在万有引力定律和广义相对论中都起着关键作用,决定了引力相互作用的强度。
c:真空中的光速(speed of light in vacuum), c=2.99792458×108m/s,是自然界中的一个基本物理常数,在相对论中具有极其重要的地位,它将时间和空间联系在一起。
Tμν:能量 - 动量张量(energy - momentum tensor),也叫应力 - 能量张量(stress - energy tensor),描述了物质和能量在时空中的分布和流动情况。例如对于理想流体,能量 - 动量张量可以写成 Tμν=(ρ+p/c2)UμUν−pgμν,其中 ρ 是流体的质量密度, p 是压强, Uμ 是流体的四维速度。
方程意义:爱因斯坦场方程建立了时空几何(用 Gμν 描述)与物质和能量分布及运动(用 Tμν 描述)之间的紧密联系,它表明物质和能量的存在会使时空弯曲,而时空的弯曲又反过来影响物质和能量的运动,深刻地揭示了引力的本质是时空的几何属性 。
此外,还有一些基于广义相对论衍生的重要公式和结论,比如史瓦西度规(Schwarzschild metric),用于描述球对称、静态质量外部的时空几何:
ds2=−(1−rc22GM)c2dt2+(1−rc22GM)−1dr2+r2(dθ2+sin2θdφ2)
这个度规解对于理解黑洞等天体周围的时空结构非常关键,其中 M 是中心天体的质量,r 是径向坐标,θ 和 φ 是角坐标。