广义相对论的基础原理是
广义相对论是由爱因斯坦于20世纪初提出的一种描述引力的理论。它基于以下两个基础原理来解释引力的本质：等效原理和场方程。
1. 等效原理（等效性原理）：
等效原理指出，处于任何加速度下的观察者无法通过局部非引力实验来区分自己是否处于惯性系中。换句话说，引力场中的物理现象可以被等效地视为加速度场中的物理现象。这意味着，在强引力场中，质点的运动可以被等效为在平直时空中的自由运动。
2. 场方程（爱因斯坦场方程）：
爱因斯坦场方程是广义相对论的核心方程，描述了引力场如何塑造时空的几何结构。它的形式可以简化为：
Rμν- 1/2 R gμν= 8πG/c^4 Tμν
其中，Rμν是爱因斯坦张量，描述了时空的曲率；R是标量曲率；gμν是时空的度规张量，描述了时空的几何结构；G是引力常数；c是光速；Tμν是能量-动量张量，描述了物质和能量在时空中的分布。
这个方程表明，时空的几何形状取决于物质和能量的分布。引力的起因是物质和
能量的弯曲了时空，而物体在弯曲的时空中受到引力的作用。
广义相对论的场方程是一个非线性的偏微分方程，其解决方案给出了时空的几何结构以及物体的运动轨迹。在强引力场中，比如黑洞附近或者宇宙的早期，广义相对论的效应显著。
总结起来，广义相对论的基础原理是等效原理和场方程。等效原理说明了引力场可以等效视为加速度场，而场方程描述了引力场如何塑造时空的几何结构。这些原理共同解释了引力的本质和物体在弯曲时空中的运动。
广义相对论
广义相对论 目录 百科名片 广义相对论（General Relativity），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。 目录 概况 广义相对论是阿尔伯特●爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立的。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相关系，其关系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。 从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经
通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。 爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学膨胀宇宙论的理论基础。 目录 相关简介 相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭
广义相对论的基本概念与应用广义相对论是现代物理学中最重要的理论之一，它改变了人们对宇宙和时间的认知。广义相对论的基础是爱因斯坦的理论，通过该理论，我们可以了解到所有物体是如何互相作用和影响的。广义相对论的基本概念和应用将在下面详细论述。 广义相对论的基本概念 广义相对论主要涉及到度量张量、广义测地线和集成爱因斯坦场方程式等概念。 度量张量是广义相对论的核心之一，它描述了时空的弯曲性。度量张量是一个矩阵，它描述了时空各个方向的长度和角度。例如，你可以用尺子测量一个物体的长度，但是如果该物体位于空间曲率处，则该尺子的测量结果是错误的。这就是由于物理空间的扭曲性导致的。 广义测地线是真实世界中的物体运动路径，物理学家用它来计算物体的动量、能量和轨道。广义测地线是在曲率空间上的最短
路径，因此，测地线不仅考虑了物体在空间维度上的运动，还考虑了物体在时间维度上的速度。 集成爱因斯坦场方程式描述了宇宙系统中物质如何影响时空的曲率。方程的主要部分表示物质与能量如何影响时空，而它的另一部分表示物质与能量如何反过来对其自身的运动产生影响。这个方程式是广义相对论的基石之一，它被用来预测黑洞、引力波和宇宙的演化。 广义相对论的应用 广义相对论的应用涵盖了宇宙物理学、黑洞、引力波和实验室物理学。 宇宙物理学的一个重要问题是暗物质的性质和存在问题。广义相对论可以通过一些方法来解决这些问题。例如，把宇宙视为一个弹性体，这可以用爱因斯坦方程式来描述。这种方法可以帮助我们解决暗物质的问题。爱因斯坦场方程式可以揭示少量物质如何通过影响时空曲率来产生巨大的引力效应。这对于研究宇宙中的星系和恒星形成以及演化过程是很有帮助的。
广义相对论的基本原理 爱因斯坦提出马赫原理、广义协变性原理和等效原理作为广义相对论的基本原理。他采用弯曲时空的黎曼几何来描述引力场，给出引力场中的物理规律,进而提出引力场方程，奠定了广义相对论的理论基础。 1、1马赫原理 狭义相对论完全废除了以太概念,即电磁运动的绝对空间,但却仍然没有对经典力学把绝对空间当作世界的绝对惯性结构的理由做出解释,也没有为具有绝对惯性结构的力学提供新的替换。也就是说,惯性系的存在,对于力学和电磁学都是必不可少的。狭义相对论紧紧地依赖于惯性参考系，它们是一切非加速度的标准;它们使一切物理定律的形式表达实现了最简化。惯性系的这种特权在很长时间里保持着一种神秘性。为了满足狭义相对论而修改牛顿引力(平方反比）理论的失败,导致了广义相对论的兴起。 爱因斯坦是出于一种哲学欲望才把绝对空间彻底地从物理学中清除出去的。自一开始，狭义相对论就把惯性系当作一种当然的存在。可能，爱因斯坦本来也不反对在狭义相对论基础上建立的引力论。由此，爱因斯坦不得不超越狭义相对论。在这一工作中,他十分诚恳地反复强调,他得益于物理学家兼哲学家马赫的思想。爱因斯坦说：“没有人能够否认,那些认识论的理论家们曾为这一发展铺平了道路;从我自己来说,我至少知道:我曾经直接地或间接地特别从休漠和马赫那里受到莫大的启发。”爱因斯坦建立广义相对论的一个重要思想是认为时间和空间的几何不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定。这个思想直接导致用黎曼几何来描述存在引力场的时间和空间,并成为写下引力场方程的依据。爱因斯坦的这一思想是从物理学家和哲学家马赫对牛顿的绝对空间观念以及牛顿的整个体系的批判中汲取而来的。爱因斯坦把这一思想称为马赫原理。 马赫原理早在17世纪就已经有了萌芽。马赫的惯性思想包括四个方面的内容:（1）空间本身并不是一种“事物”,它纯粹是物质间距离关系总体的抽象。（２）粒子的惯性是由这个粒子与宇宙中所有其他物质的相互作用造成的。(3)局部的非加速度标准决定于宇宙中所有物质的平均运动。（４）力学中的所有物质都与所有物质存在相对运动。由此，马赫写道：“……如果我们认为地球在绕轴自转或处于静止状态,同时恒星在围绕着它公转，这都没有关系……惯性定律必定能证明,第二个假设和第一个假设得出的结果是精确地一致的。”我们说地球在“自旋”，自旋的弹性球在赤道上会凸起来。但是，弹性球是怎么“知道”自旋必然导致凸起的呢?对于这个问题,牛顿的回答是，它“感受”到了绝对空间的运动;马赫的回答则是,变凸的弹性球“感受”到了宇宙物质在围绕它转。对于牛顿来说,相对于绝对空间的旋转产生离心力。这种离心力完全不同于万有引力。对于马赫来说,离心力也是引力。它是由物质与物质之间的作用引起的。 爱因斯坦在走向广义相对论的进程中，曾经推测牛顿的平方反比理论可能与完全的引力理论存在许多差异。１953年，夏马（D.W.Sciａｍa)复活并推广了19世纪天体力学家、勒维烈的学生提泽兰（F.Tiｓsｅrａｎd，1845~1８96）的一种麦克斯韦式的引力理论。并且发现,它大大地包括了马赫原理:惯性力对应于宇宙的引力“辐射场”,并与距离的一次方成反比。然而，不幸的是，这种理论在其他方面严重违背相对论。比如,在狭义相对论中,质量是随速度变化的；在麦克斯韦理论中,电荷却是不变的。还有，因为Ｅ=mc2的关系式，物体的引力束缚能具有（负的）质量；这样，系统的总质量不可能等于部分的质量之和；而麦克斯韦理论中电荷（类比于质量）却是严格增加的。爱因斯坦的广义相对论对惯性问题的解决,比麦克斯韦理论要复杂得多。然而,在“一级近似”上，它可化为牛顿理论；在“二级近似”上它则具有麦克斯韦特征。
广义相对论 (Redirected from 广义相对论) 广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。 从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流易、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。 爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。 历史 主条目：广义相对论的替代理论
狭义相对论和广义相对论的基本原理 狭义相对论和广义相对论是现代物理学的基本理论之一，它们解释了时间、空间、质量和能量之间的关系。以下是对这两种相对论的基本原理的讲解。 一、狭义相对论的基本原理 狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的理论，它提出了一个与牛顿力学不同的观点，即光速在所有惯性参考系中都是常数。这一原则被称为“光速不变原理”，它是狭义相对论的核心。 基于“光速不变原理”，狭义相对论提出了以下原则： 1. 所有物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。 2. 物体的质量随着速度的增加而增加，速度越快，增加的质量越大。 3. 时间和空间是相对的，没有绝对的标准。 4. 能量和质量是等价的，它们之间可以相互转化。 这些原则反映了狭义相对论的基本特征，它推翻了牛顿力学中的一些假设，如时间和空间的绝对性、万有引力的绝对性等。狭义相对论为我们提供了更加准确和完整的描述物理规律的框架，同时也为后来的广义相对论的发展提供了基础。 二、广义相对论的基本原理 广义相对论是爱因斯坦在1916年提出的理论，它是在狭义相对论的基础上进一步发展而来的。广义相对论初衷是想解释引力的本质，它基于“等效原理”提出了新的物理规律。 广义相对论的基本原理包括： 1. 等效原理：自由下落的物体在惯性参考系中运动是匀速直线运动。 2. 引力不是一种真正的力，而是由物体所在空间弯曲而产生的一种现象。 3. 时间和空间的弯曲程度受到物质分布的影响。 4. 光线会沿着最短路径传播。 这些原理反映了广义相对论的基本特征，它描述了物质的引力性质和空间的几何形态之间的关系。广义相对论证明了狭义相对论中的“光速不变原理”是任何物质和能量影响的最高速度，同时也为黑洞、宇宙学等领域的研究提供了新的工具和思路。
广义相对论原理是说物理规律 广义相对论原理是爱因斯坦提出的一种关于物理规律的理论，它在描述时空结构和引 力作用方面与牛顿经典力学存在根本的不同。广义相对论原理认为，在任一空间中感受到 的引力场都是由物体控制长的时空弯曲而形成的，这种弯曲可以被描述为黑洞、星体、行 星和小天体向周围空间的形成影响，具有诸如引力透镜、莫比乌斯带和超越困境等非常奇 特的数学性质。这个理论的核心概念是时空结构，这是一个四维时空场，可以被描述为逐 渐变化的几何形状。下面是对广义相对论原理的详细描述。 一、时空结构 广义相对论原理中的核心概念是时空结构。这是一个四维时空场，可以被描述为逐渐 变化的几何形状。这个理论认为：所有物理现象都依赖于时空的结构。不同的时空结构会 导致不同的物理现象。不同的时空结构可以由不同数量、质量和分布方式的物体被引起。 在广义相对论中，时空的曲率由能量和动量确定。这使得引力透镜成为可能，其中天体的 引力影响光线的路径是几何结构的结果。 二、弯曲时空 广义相对论认为重力是由质量和能量引起的，而不是万有引力定律；这意味着引力不 仅仅是一种拉力，电场中的引力和磁场中的引力被描述为弯曲时空的结果。这种弯曲时空 可以通过弯曲的坐标定义，这些坐标描述了物体在时空中的位置和运动。由于时空结构的 曲度导致引力的非线性性质，使得路径依赖关系和引力透镜效应成为可能。这样，广义相 对论可用于计算行星间运行轨迹和引力波，成为现代天文学和引力测量的基础。 三、能量动量与时空 特殊相对论是爱因斯坦最早的成就，它将时空视为四维时空场。如今广义相对论认为：能量动量与物理现象紧密相关，而这种关系是通过弯曲时空的方式实现的。这个过程可以 用能量质量张量来描述，这个张量描述物质的所有质量、能量和动量对时空的作用。这个 过程并不仅限于物质，其它物理现象中的相互作用也可以用此描述。 四、引力透镜和黑洞 广义相对论引起人们极大的兴趣是因为它描述了引力透镜和黑洞这样非常特殊的现象。引力透镜是一种天体测量方法，利用重力的弯曲将显著影响光线传播的行为。这种效应是 广义相对论的核心，通过这种方法才能测量我们周围的宇宙。黑洞是由于天体的愈合的引 力而导致的弯曲时空异常，这时时间和空间的相对作用完全发生了变化。在黑洞的外围， 引力强度大到足以扭曲时空，使得光线和物质无法脱离和逃逸；导致黑洞无法直接被观测。这需要通过其它演化过程，譬如亮度、星速等，进行间接测量。
狭义相对论和广义相对论 狭义相对论和广义相对论最本质的区别在于时空是不是弯的。 狭义相对论：狭义相对论是1905年由阿尔伯特·爱因斯坦、洛伦兹、庞加莱和闵可夫斯基提出的，基本原理有狭义相对性原理和光速不变原理。 广义相对论：广义相对论是1915年阿尔伯特·爱因斯坦提出的，基本原理有等效原理和广义相对性原理。 狭义相对论 狭义相对论解决了一个物理学的重大矛盾。在爱因斯坦之前，最成功的两个理论分别是牛顿提出的牛顿力学和麦克斯韦提出麦克斯韦方程。只不过，这两个理论有个矛盾，那就是：光速。 具体来说，牛顿的理论认为，速度可以不断地进行叠加，没有上限，只要你加得上去就行。可是，麦克斯韦方程得出的光速是一个固定值，似乎暗示着光速无论在什么惯性坐标系下都是一样的。要知道，我们在使用牛顿力学时，是需要先选定参考坐标的。因此，科学家就在思考，是不是存在一个奇怪的坐标系，让光速一直保持一个速度，它们管这个叫做以太。于是，一群科学家就拼了命地去找“以太”，然后他们接二连三地失败了。 后来，26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论。
有人说他高举了奥卡姆剃刀原理才成功的，这个奥卡姆剃刀原理大意是：如无必须勿增实体。翻译过来就是，咋简单咋来。既然光速是不变的，那为啥还要假设“以太”？ 于是，爱因斯坦就以“光速不变原理”和“相对性原理”为基础假设，推导出了狭义相对论。这个过程就有点像平面几何，就只有五条公设，但是能搞出一整套体系。而这里的相对性原理，说白了就是经典物理学的老套路，在研究运动时，需要先选个惯性参考系。 通过这两条假设，爱因斯坦出了很多奇葩的结论，比如：时间膨胀。说的是，如果你想对于我高速运动，那我看你的时间就会变慢，这种变慢可以理解成，如果你在高速的飞船里做操，那我这里看到的就是你在慢动作做操。而你自己其实感觉到的时间是正常流逝。所以，是以我参考系看你时间膨胀了。如果你也看到，你也会发现我的时间也变慢了，因为我想对于你也是在高速运动的。 除了时间膨胀，还有尺缩效应，其实说的是如果你相对于我高速运动，那你的尺寸会缩短。你会发现，为什么要么和时间，要么和长度（空间）有关，这其实就和狭义相对论要统一的对象有关，狭义相对论统一了时间和空间。爱因斯坦认为时间和空间并不是分离的两个物理量，它们会受到运动的影响。所以，我们要把它们结合起来研究，并称为时空。由于我们生活在三维的空间内，所以也可以叫做三维时空。而光速则是三维时空的一个特殊属性，描述了两个事件之间的时空间隔。说得直白点就是，你看到镜子里的自己永远都是过去的自己，
物理学中的相对论 相对论是物理学的重要分支，是对空间、时间和质量观念的根本改变。它由爱因斯坦于20世纪初提出，深刻影响了整个科学界，并对我们对宇宙的认识产生了革命性的影响。本文将对相对论的基本原理、重要概念以及其实际应用进行探讨，以期加深对相对论的理解。 一、相对论的基本原理 相对论的基本原理包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论主要研究的是高速运动下的物体和时间的变化，而广义相对论则进一步考虑了引力对时间和空间的影响。 1.狭义相对论 狭义相对论的基本原理包括时间相对性和长度收缩。根据狭义相对论，物体的质量会随着其速度的增加而增加，同时时间也会因速度的不同而变化。这与经典物理学中的牛顿力学理论存在明显的差异。 2.广义相对论 广义相对论引入了引力的概念，并将其描述为时空的弯曲。爱因斯坦提出了“等效原理”，即自由下落的物体和处于真空中匀速运动的物体之间没有本质的区别。这一理论解释了引力、物体在强引力场中的运动以及黑洞等天体现象。 二、相对论的重要概念
相对论涉及到一些重要概念，这些概念对于理解相对论以及应用于实际问题具有重要意义。 1.光速不变原理 相对论中的一个基本假设是光速对于任何运动的观察者都是恒定不变的，即在任何参考系中光速都是一样的。这一原理对于我们理解时间和空间的变化起到了至关重要的作用。 2.时空 相对论中引入了时空的概念，将时间和空间统一起来，构成了四维时空的概念。时空不再是独立的而是相互交织在一起的。 3.引力 相对论提出了引力的新解释，将其视为时空的弯曲造成的。引力的存在使得物体在时空中产生弯曲轨迹，影响了物体的运动。 三、相对论的实际应用 相对论不仅仅是一种理论，而且已经在很多科学领域得到了成功的应用。 1.全球定位系统（GPS） GPS是利用卫星的位置信息来确定地理位置的系统。由于卫星高速运动，需要考虑相对论的修正，以确保测量结果的准确性。 2.核能反应堆
从零学相对论 1. 引言 相对论是现代物理学的基石之一，它的提出和发展对于人 类对于时间、空间、质量和能量的理解产生了深远的影响。本文将从零开始介绍相对论的基本概念和原理，帮助读者快速入门相对论的世界。 2. 牛顿力学的限制 在介绍相对论之前，我们先回顾一下牛顿力学的基本原理。牛顿力学是经典力学的基础，但是它在描述高速运动和极端情况时存在一些局限性。 首先，牛顿力学是基于绝对时空观的。它认为时间和空间 是绝对存在的，而且在所有的参考系中都是相同的。然而，实验证据表明时间和空间是相对的，不同的观察者在不同的参考系中会有不同的时间和空间的度量。 其次，牛顿力学没有考虑到光的特殊性质。根据马克斯韦 方程组，光的速度在真空中是一个恒定不变的常量，即光速。这些限制促使着爱因斯坦提出了相对论的理论。
3. 狭义相对论 3.1 相对论的基本假设 狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种新的物理理论，它基于以下两个基本假设： 1.自然界中不存在绝对的静止参考系，所有参考系都 是同等有效的。 2.光速在真空中是一个恒定的常量，不受观察者运动 状态的影响。 3.2 相对论的基本原理 基于这两个基本假设，狭义相对论的基本原理包括： •时间相对性：观察者的时间随着其运动状态而变化。 当一个观察者相对于另一个观察者以接近光速的速度运动 时，时间会变慢。 •空间相对性：观察者看到的空间尺度也会随着其运 动状态而变化。空间方向上的尺度会收缩。
•质能等价原理：能量和质量是等价的，质量可以转 化为能量，能量也可以转化为质量。这就是著名的E=mc²公式。 3.3 相对论的数学表达 为了更直观地描述相对论的数学表达，我们引入了洛伦兹 变换。洛伦兹变换是一组公式，用来描述一个参考系中的事件如何在另一个参考系中表示。洛伦兹变换包括了时间、长度、质量和能量的变换关系。 洛伦兹变换的公式可以表示为： t' = γ(t - vx/c²) x' = γ(x - vt) y' = y z' = z 其中，t'和x'是事件在另一个参考系中的时间和空间坐标，t和x是事件在当前参考系中的时间和空间坐标，v是观察者相对于当前参考系的速度，c是光速，γ是一个因子，称为洛伦兹因子，定义为γ = 1 / sqrt(1 - v²/c²)。
广义相对论对时空曲率理解的意义一、引言 广义相对论是爱因斯坦于1915年提出的一种描述引力 的理论，对于时空的曲率概念提出了全新的解释。广义相 对论对时空曲率的理解具有重要的意义，本文将从三个方 面进行探讨。 二、广义相对论的基本原理 广义相对论认为质量和能量是引力的源头，并且质量和 能量的存在会曲率时空。根据爱因斯坦场方程，质量能量 分布在时空中，会导致时空的曲率和扭曲，形成时空曲率，这是引力的基本原理。广义相对论认为，物质造成的时空 曲率是引力的本质，物体受到引力作用是由于其在弯曲时 空中“惯性”运动。 三、时空曲率的概念 时空曲率是广义相对论中一个重要的概念，它指的是时 空的弯曲程度。传统的牛顿力学认为，物体间的相互作用 是通过引力产生的，物体之间的相互作用仅取决于它们之
间的距离。然而，广义相对论提出了时空的曲率概念，即 物体之间的相互作用不仅仅与距离有关，还与物体所处的 时空曲率有关。时空曲率使得物体沿着曲线运动，而不是 像牛顿力学中那样沿直线运动。这使得我们需要重新审视 物体的运动和相互作用，推翻了牛顿力学中的绝对时空观。 四、时空曲率的意义 1. 解释引力：广义相对论通过时空曲率的概念，成功地 解释了引力的本质。它指出，物体受到引力作用是因为其 运动轨迹受到时空曲率的影响。这一概念使得我们对引力 的认识更加深入和全面，进一步拓展了我们对宇宙的理解。 2. 揭示宇宙的结构：广义相对论中的时空曲率概念为揭 示宇宙的结构和演化提供了理论基础。根据爱因斯坦的理论，宇宙是一个弯曲的四维时空，质量和能量在其中分布 引起时空的曲率。曲率的程度影响了宇宙的演化和宇宙学 的进展。通过对时空曲率的研究，我们可以更好地理解宇 宙的起源、结构和演化。 3. 预测引力波和黑洞：在广义相对论的框架下，时空曲 率的存在导致了引力波的存在。引力波是一种通过时空传
物理学中的量子力学和广义相对论的统一理 论 物理学的发展离不开科学家们对于自然界的不断探索和理论的创新。两个重要而且影响深远的学科是量子力学和广义相对论。量子力学是 描述微观领域物质与能量交互作用的理论，而广义相对论则是描述引 力与时空结构的理论。尽管两者取得了巨大的成就，但相对独立的两 个理论却难以统一。近年来，物理学家们一直在努力寻求将量子力学 和广义相对论统一起来的理论，这就是所谓的量子重力理论。 一、量子力学的基本原理 量子力学描述了微观领域的物理现象和微观粒子之间的相互作用。 它的基本原理由以下几点组成： 1. 波粒二象性：根据波粒二象性原理，物质既可以像粒子一样表现，也可以像波动一样传播。 2. 不确定性原理：根据不确定性原理，我们不能同时准确地确定一 个粒子的位置和动量，粒子的位置与动量之间存在固有的不确定性。 二、广义相对论的基本原理 广义相对论是爱因斯坦提出的一种描述重力场的理论。它的基本原 理包括： 1. 等效原理：等效原理指出，惯性质量与引力质量是等效的，物体 在任何引力场中的运动规律都与在无引力场中相同。
2. 时空弯曲：广义相对论认为物质和能量可以改变时空的几何结构，形成引力场。物体在引力场中的运动轨迹是在弯曲时空中的最短路径。 三、量子重力理论的挑战 尽管量子力学和广义相对论都得到了广泛的验证和应用，但在高能 量和强引力的情况下，两个理论却无法同时成立。这导致了量子重力 理论的重要性，它试图统一这两个理论，并建立一个更全面、更准确 的物理学框架。然而，量子重力理论面临着以下几个主要挑战： 1. 超弦理论：超弦理论是当前最有前景的量子重力理论之一。它将 粒子视为动态的弦，采用了额外维度和超对称的概念。然而，超弦理 论仍然处于发展的初级阶段，许多问题尚未得到解决。 2. 信息丢失问题：黑洞信息丢失问题是量子重力理论中的一个关键 难题。根据量子力学，信息是不可破坏的，但根据广义相对论和黑洞 的描述，信息似乎会在黑洞内部消失。如何解决这个矛盾至今仍然是 一个未解之谜。 3. 实验验证的困难：将量子重力理论带到实验室是一项极具挑战性 的任务。由于高能量和强引力条件下的实验条件难以控制和模拟，验 证量子重力理论的实验结果仍然有限。 尽管量子重力理论仍然面临着许多困难，但科学家们对于实现量子 力学和广义相对论的统一始终充满信心。他们相信随着科技的发展和 理论的改进，未来必将找到一个统一的理论，来解决我们对于自然界
目录 概况 广义相对论是阿尔伯特●爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立的。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相关系，其关系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。 从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。 爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学膨胀宇宙论的理论基础。 目录 相关简介 相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理。即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。 广义相对论 爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量. 广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
广义相对论的理论基础
广义相对论的理论基础 爱因斯坦于1905年提出狭义相对论之后，便试图在狭义相对论的基础上对牛顿的引力理论进行改造。牛顿引力理论虽然在天文学上得到广泛的支持，但是，它不能说明水星近日点的剩余进动，也不能对宇宙大范围的性质给出完满的描述；而且，在理论的基本概念上同狭义相对论也是互相冲突的。 爱因斯坦在深入分析引力质量同惯性质量等价这一早已熟知的事实的基础上，提出了引力场同加速度场局域性等效的概念；他又把惯性运动的相对性的概念推广到加速运动；并在前人对牛顿时空观的批判中汲取了精华，提出了时间和空间的性质应当由物质运动决定这一革命性的思想。这些引导他采用黎曼几何来描述具有引力场的时间和空间，写出了正确的引力场方程；进而精确地解释了水星近日点的剩余进动，预言了光线偏折、引力红移、引力辐射等一系列新的效应。他还对宇宙的结构进行了开创性的研究。著名的1919年日全食观测，证实了爱因斯坦关于光线偏折的预言，一度轰动世界。随后，广义相对论便被物理学界普遍接受下来，并且被公认为经典理论物理学中最完美的理论。 几十年来，广义相对论又得到新的验证和发展，特别是60年代以来，在天文学中得到了广泛的应用。引力红移、雷达回波等实验进一步证实了这个理论的预言。
样认为的：广义协变性只有通过等效原理才能获得物理内容。 爱因斯坦建立广义相对论的另一个重要思想是认为时间和空间的几何不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定。这个思想直接导致用黎曼几何来描述存在引力场的时间和空间，并成为写下引力场方程的依据。爱因斯坦的这一思想是从物理学家和哲学家马赫对牛顿的绝对空间观念以及牛顿的整个体系的批判中汲取而来的。为了纪念这位奥地利学者，爱因斯坦把他的这一思想称为马赫原理。 引力场的几何描述 根据上述基本原理，广义相对论用存在局部惯性系的黎曼几何来描述引力场。在这种黎曼几何中，四维时空的线元是时空点的任意函数： gμυ(x)称为在x点时空的度规张量。x0=ct，с是光速，t是时间坐标。x1、x2、x3是空间坐标。重复指标表示求和。如果引入局部惯性系，线元可以表示为： ， ημυ就是狭义相对论中的闵可夫斯基度规，θ寶(x) 称