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爱因斯坦场方程是广义相对论的核心方程,它描述了时空几何与物质能量之间的基本关系。方程左侧的G项代表时空的几何曲率,右侧的T项代表物质和能量的分布。这个方程告诉我们:物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。
几何曲率张量G描述了时空的弯曲程度。它由里奇张量、度规张量和标量曲率组成。当质量存在时,周围的时空网格会发生弯曲变形。质量越大,弯曲越强烈,这就是引力的几何本质。网格点的颜色变化表示曲率强度,红色区域代表强烈的时空弯曲。
能量动量张量T描述了时空中物质和能量的分布。它包含能量密度、动量密度和应力等物理量。光锥结构展示了时空中的因果关系,而不同颜色的粒子流代表不同类型的物质:红色是普通物质,蓝色是辐射,绿色是场能量。这些物质的分布和流动决定了时空的弯曲方式。
在弱场近似下,爱因斯坦场方程可以简化为牛顿引力方程。当时空弯曲很微弱时,度规可以写成平直时空加上小的扰动。通过线性化处理,几何项简化为拉普拉斯算子,物质项简化为质量密度,最终得到熟悉的泊松方程。这展示了广义相对论在弱场极限下与牛顿理论的一致性。
FLRW度规描述了均匀各向同性的宇宙模型。尺度因子a(t)决定了宇宙的大小随时间的变化,而曲率参数k决定了空间的几何性质。通过爱因斯坦场方程,我们得到弗里德曼方程,它描述了宇宙膨胀的动力学。动画展示了星系随宇宙膨胀而相互远离的过程,这正是我们观测到的哈勃定律的几何起源。