广义相对论既是引力理论也是斥力理论


     与狭义相对论一样,广义相对论也是关于时空的理论。不同之处是狭义相对论仅仅处理平直时空里的物理现象,而广义相对论不仅处理平直时空里的物理现象也处理弯曲时空里的物理现象,这就是广义的由来。所谓的平直时空是指该时空的黎曼曲率为零,在直角坐标系表现为该时空度规为闵科夫斯基度规,平直只是弯曲的特例。那么广义相对论为啥又成为引力理论了呢?这是把该时空里的短程线即测地线方程当作自由粒子运动时遵循的动力学方程的结果,自由粒子在弯曲时空里的运动遵循测地线方程属于另外一个基本假设,正是通过测地线方程把时空的弯曲和引力现象联系起来的,即把引力现象解释作时空的弯曲。在球对称的弱引力场里,测地线方程回到牛顿引力,这是我们坚信弯曲时空能够描述引力现象的第一个依据,而对水星进动的解释只能算是弯曲时空能够描述引力的第二个依据。由于时空度规原则上可以是任意的 ,因此广义相对论自然也属于斥力理论,不必另外再对斥力建立理论,即无论引力和斥力均统一在广义相对论里。比如,在各向同性的时空,度规是罗本森--沃克形式,这样的时空提供斥力,星系看上去相互退移,即宇宙膨胀。


    时空度规由引力场方程决定,引力场方程是时空度规和物质分布及其运动所必须满足的关系式。引力场方程不是严格推导出来的,它实际上是一个推猜。在四维时空,由度规的组合构成的一个张量叫爱因斯坦张量,该张量的四维散度为零,叫着毕安基恒等式,正好与理想流体的能动张量的四维散度为零相对应,因此爱因斯坦猜猜爱因斯坦张量与理想流体的能量动量应力张量相等,最多添加一个耦合系数,这就是引力场方程的由来。在坐标变换下引力场方程的形式不变,即引力场方程具有协变性,这种协变性还表现在坐标变换后的度规仍然是引力场方程的解,这等效于在同一坐标系场方程有四个度规可任意选取,这就要求我们还必须根据物理过程确定度规的合理性,仅仅从场方程本身不能完全确定十个度规分量。需要说明的是,一般的引力源并非是理想流体,但作为引力源的介质,其能量动量应力张量仍然写成理想流体的形式,实际上它仅仅有引力源的含义了,与是否属于理想流体已没有真正联系了,就像光速未必属于光一样,重要的是这张量的四维散度为零完全描述介质的运动。杨见亮先生把能量动量应力张量中的标量P解释作暗物质暗能量及普通压强的综合效果,不仅仅指压强,不再限制P只能取非负值,这时的引力场方程就是包括了暗物质暗能量效应的场方程,没必要在场方程里另添项目。这样,把场方程用于宇宙学时,计算变得非常简洁,宇宙学里的不少疑难问题都能迎刃而解,的确是一大的进步。其实,作为对介质的影响,暗物质暗能量及压强的作用确实是不可分离的,吸收到同一个物理量里是最合理的,人为的分离只能使计算变得毫无意义。如果仅赋予P压强的含义,那么解出的P是负值时也就显得荒谬,要知道在相对论里,P值的大小是有意义的,当解出的P为负值时必须正视,不像经典力学那样P可以任意取值,仅P的导数出现在运动方程里,P不出现。