11、广义相对论的几
个疑难问题
1、暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%，各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据认为，这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，
但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。
天文学家已经证明：宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍的星系到最大星系团，都是由一种物质形式所维系在一起的，这种物质既不是构成我们银河系的那种物质，也不发光。这种物质可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成，该物质的聚集产生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时，这些粒子可能穿过地面实验室。
美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出
有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。
尚未发现的其它粒子有可能存在，例如一种称为超对称的新对称理论预言有一种大的新类型的粒子，其中有些可解释暗物质。现正在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强子对撞机（LHC）上开展的实验，以及地下低温暗物质寻找和空间利用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验，目的都是要寻找超对称粒子。
阿尔法磁谱仪（AMS）安装在国际空间站上，寻找反物质星系和
带有我们星系多数质量的神秘暗物质的任何证据。该项目由MIT丁肇
中领导，国际上（包括中国）广泛参加。
2.暗能量的本质。宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构，还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的第一个证据，来源于对宇宙构造的测量，爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状—是扁平的，这也反过来提示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加
起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2/3。
第二个证据表明该成分一定是能量。对遥远超新星的观测显示，宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在加快，宇宙的加速很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推。最近的实验表明，宇宙膨胀正在加速而不是放慢。这一结论有悖引力具有吸引力的基本概念。如果这些测量成立，就能量的物质形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性。对膨胀率的详细测量有助于对提出的各种解释暗能量的理论模型加以区别。美国劳伦斯伯克力国家实验室（LBNL）超新星宇宙学项目的研究人员，利用从观测1a型超新星得到的数据直接观测宇宙的加速膨胀。要研究这种类型的超新星，必须观测大量的星系，因为每400年每个星系才只有唯一的一种类型的超新星。这个合作组使用智利天体望远镜、Keck天体望远镜和哈勃望远镜观测和收集1a型超新星的数据。到目前为止，利用哈勃望远镜仅对25个超新星进行了深入研究。2003年1月，被称为“超新星工厂”开始利用近地星形描迹天体望远镜（GLAST）观测 Haleakala和PalomarI和II，每隔4夜获得1a型超新星一个接近峰值亮度。这些观测每夜产生50千兆字节的数据，由美国国家能源研究计算中心（NERSC）的超级计算机和法国超新星观测组合作进行处理。 NERSC超级计算机可产生模拟，支持其他数据收集方法。通过超新星爆发中的中等大小的星，这些方法可直接对从原始星到超新星爆发后核心的核合成进行测量。
NERSC超级计算机产生的模拟也可用于LBNL超新星宇宙学项目组领导的超新星加速探测卫星和高-Z超新星寻找组进宇宙加速膨胀的研究。
3.恒星、行星的形成：天体的形成是天体物理学中的重要问题。适合生物存在的行星，在银河系中出现的几率到底是多少？
4.广义相对论：广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？
5.标准模型：粒子物理标准模型无疑极为成功，但人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。
6.时空的观念：时空是什么？超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。
7、相对论中的孪生子佯谬、不同时空之间的对钟难题该如何解决？牛顿的绝对时间和空间与爱因斯坦的相对时间和空间之间存在什么关系？光线在万有引力场作用下的弯曲现象，应理解为光子的运动轨道弯曲呢？还是所谓的空间弯曲？
8、是否存在额外的时空维度？
对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否不仅仅限于我们能轻易观察到的四维，要确定这一点，我们可能首先要怀疑自然是否是自相矛盾的：我们是否应该接受这样的观点，即有两种力作用于两个不同的层面——重力作用于星系这个大层面，而其它三种力作用于原子的微小世界？统一场论会说这是一派胡言——肯定有一种方法将原子层面的三种力量与重力连接起来。这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其它维的空间，开始的宇宙线性理论模型将重力和其它三种力在复杂的11维宙中结合起来，在那个宇宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想
象的微小空间中，以至于我们无法觉察到，弄懂这些多维空间的一个
办法是，想象一个蛛网的一根丝，用裸眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体，线性理论学家说，我们之所以看不见其它维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。我们可能永远无法直接看到这些多维空间，但有了天文学家和粒子物理学家的仪器，也许可以找到它们存在的证据。在试图引申爱因斯坦理论和了解引力的量子性质时，粒子物理学家们假设存在着超出已知四维时空的高维时空。它们的存在对宇宙的诞生和演化具有隐含，可能会影响基本粒子的相互作用，并改变
近距离时的引力。
高能与核物理在弦理论方面的研究表明有额外维。TeV能级加速器和其他对撞机的实验，通过寻找两个加速的粒子（如TeV能级加速器的质子与反质子）在对撞中产生粒子时丢失的能量，来寻找额外维。
9、什么是引力?
在爱因斯坦改进牛顿的理论时，他扩展了重力的概念，将巨大的重力场和以接近光速运动的物体都计算在内，这一扩展形成了著名的相对论和时空理论，但爱因斯坦的理论没有涉及极小领域的量子力学，因为重力在很小范围内可以忽略不计，而且还没有人对个别少量
的重力进行过试验性的观察。
然而，自然界也有重力被压迫在小物体之内的极端情况，比如说，在靠近黑洞中央的地方，大量物质被挤在量子大小的空间里，重力就在很小的距离内变得非常强，大爆炸时期混沌的初始宇宙中一定就是这种情况。黑洞在宇宙中普遍存在，可以探讨它们的巨大引力。早期宇宙中的强引力效应具有客观测到的重要性。爱因斯坦理论也应适用于这些情况，正像它适用于太阳系一样。完整的引力理论应该包括量子效应—爱因斯坦引力理论不包括—或不解释为什么它们不相关。
高能和核物理理论学家研究弦理论和额外维空间的可能性，有助于解释引力的量子方面。像在费米实验室（左图）TeV能级加速器和CERN的LHC上开展的实验将能够在未来几年内对一些这样的思想进行检验。弦理论已经导致对黑洞的熵进行计算。
10、中微子有质量吗，它们如何影响宇宙的演化？
宇宙学告诉我们，当今宇宙中一定存在着大量的中微子。物理学家们最近发现越来越多的证据，表明它们具有小质量。甚至可能有超越现行标准模型3个以外更多类型的中微子。
加拿大Sudbury中微子观测站（SNO）发布的第一批结果和日本超级神冈的实验结果，对丢失的太阳中微子进行的证据越来越多。这两项实验均系国际合作，得到美国能源部的大力支持。
称为MINOS的长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程建造的设备，寻找具有极小质量的中微子存在的证据。费米实验室新的主注入器作为MINOS 实验的中微子源，实验的长基线从这里开始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原Soudan铁矿里。(Soudan矿中现有1000吨探测器)
参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到达Soudan铁矿中的探测器的中微子的特性进行测量和比较。这两个探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子振荡的证据，因此得出中微子质量。
1995 年美国LANL的液体闪烁器中微子探测器（LSND）发现了谬子中微子变成电子中微子的证据。费米国家实验室有一台探测器称为MiniBooNE，用来研究这一现象。因为更强的中微子束流，它比LSND获得更多的数据。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短约10000倍强脉冲组成。这大大提高了实验将来自自然产生宇宙线相互作用的束流感应中微子事例分开的能力。
现行的理论假设中微子根本就没有质量。中微子具有质量要求对理论进行修改，它起码有助于解释构成90%以上宇宙的暗物质。中微子质量以及其他所有轻子和夸克的来源，被认为是由因黑格斯玻色子传递的“黑格斯潮引起的独特相互作用。这个玻色子是费米实验室TeV能级加速器大力寻找的目标。如果找不到，可能会在CERN的LHC 上找到。能形成重元素的核反应也能形成大量奇异的亚原子群，即中微子。它们属于轻子粒子群，比如常见的电子，μ介子和τ介子。
因为中微子几乎不与普通物质发生相互作用，所以可以通过它们直接
看到星体中心，要做到这一点，我们必须能够捕捉到它们并对它们进
行研究，物理学家正在朝这个方向努力。
不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量，任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性，即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。
11、为了能与地球近平直参考系中的实际测量结果进行比较，必须将弯曲时空中对引力问题的计算换算成用平直时空中的标准尺和标准钟（或局部惯性系的标准尺和标准钟）来计量。这在弯曲时空引力理论中被认为是基本原则，但目前广义相对论对具体问题计算的过程中却普遍地忽略了这个原则。采用标准尺和标准钟计算的结果表明，水星近日点进动是实际观察值的4.8倍，而且方向相反，雷达波延迟只是观察值的53%，这样的结果显然是根本不可能的。因此广义相对论实际上并未得到实验证实，除非爱因斯坦引力场方程描述的已经是平直时空中的结果，不是弯曲时空中的结果，但这与爱因斯坦弯曲时空引力理论的前提相矛盾。
12．按爱因斯坦引力场方程计算，细圆环和双球体引力场中心会出现奇点，表明时空奇异性是采用弯曲坐标的描述方法引起的，不是自然本性。所谓奇异性黑洞、白洞和虫洞以及时间旅行等在自然界中都是不存在和不可能的。
13．由于地球观察者与宇宙物质间存在相对运动速度，描述膨胀宇宙必须采用动态能量动量张量，不能采用静态能量动量张量。采用动态能量动量张量后的计算结果表明，爱因斯坦引力场方程不
可能用来描述均匀且各向同性膨胀的宇宙，现代标准宇宙学面临基础缺失的危机。
14、什么是奇点？
对于宇宙学家、圆周研究所主任尼尔·图罗克（Neil Turok）来说，让他无法入睡的问题则是世间一切的起始——大爆炸。在宇宙创生之时，它处于温度和密度都无穷大的状态——奇点，所有已知的物理定律在那时都会失效。“我们不知道该如何描述它，”他说，“任何一个囊括所有物理的理论怎么能不包含它？”为了避免宇宙创生的奇点，他参与提出了“火劫”理论。这一理论认为，我们所处的世界是至少10维的宇宙中的一张低维膜，两个分立的三维膜会沿着垂直的维度前后震荡。每一万亿年左右，这两个膜就会彼此靠近并且碰撞，碰撞会释放出一个火球进而使得每个宇宙“重生”。同时，图罗克还寄希望于弦理论以及相关的“全息原理”。根据全息原理，一个三维的奇点可以被转换为二维空间中一个在数学上更容易处理的东西。这也许意味着第三维和引力只不过是一种“幻影”。他说：“这些工具给我了一条思考这一问题的新途径，并且它在数学上非常让人满意。”
李政道、杨振宁分歧，观点截然不同：2005年4月18日《中国科学报》登载李政道、杨振宁的文章。李文认为广义相对论更重要的作用是在21世纪，因为要弄清暗物质、暗能量的问题，还得靠爱因斯坦的理论来指导；杨文却认为物理学的基本规律在20世纪，已全部被发现了，21世纪将是基本规律在各领域的应用。去年，《中国科学报》登载了《我科学家挑战现代物理学“两朵乌云”》，报道由中科院多个研究所、上海交通大学、中国原子能科学院等多家科研单位参与的国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”。认为19世纪末，经典物理学已经非常成熟，但是上空飘浮着“两朵乌云”：一是迈克尔逊-莫雷实验，一是黑体辐射实验。后来，它们却分别促使了相对论和量子论的发现，极大地推进了人类对物质世界的认识。和19世纪末相似，20世纪末的物理学上空也漂浮着“两朵乌云”，一是暗物质，一是暗能量。杨振宁先生所指出的方向，实际上全国都在努力进行20世纪物理学成果的应用。李政道先生所指出的方向，有一批人取得国家的经费支持，国内以中科院理论物理所等单位为主的主流理论物理学家是沿此方向前进的。希望对两种观点都能一视同仁，在基本粒子和宇宙学方面既发表主流派的意见，也发表对主流派质疑甚至反对的意见。
广义相对论基础 Introduction to General Relativity 课程编号：S070200J15 课程属性：学科基础课学时/学分：60/3 预修课程：大学理论物理、高等数学 教学目的和要求: 本课程为物理学、天文学研究生的学科基础课，同时也是为今后有可能接触到引力理论的其它学科研究生的学科基础课。主要介绍爱因斯坦的广义相对论。使学生具有在今后接触到引力场问题时，能通过阅读有关书籍文献对更深入的问题进行了解的能力。本课强调弄清物理和几何图像。本课不涉及引力场量子化、引力和其它作用之统一以及以抽象数学工具表现时空几何等问题。本课也扼要对广义相对论的观测和实验检验，黑洞问题和宇宙学问题进行简要地介绍。 内容提要: 第一章张量分析基础 张量代数，联络，协变微商，测地线方程，Killing矢量。 第二章引力场方程 引力与度规，引力红移，黎曼曲率张量，Bianchi恒等式，引力场方程。 第三章场方程的应用（Ⅰ） 西瓦兹解，西瓦兹场中质点的运动，光线偏折，引力透镜效应，雷达回波，0Kruskal坐标和黑洞，Keer度规。 第四章场方程的应用（Ⅱ） 宇宙学原理,共动坐标系，Robertson-Walker度规，宇宙学红移，标准宇宙学模型简介。 主要参考书： 1. R, Adler， M.Bagin,M.Schiffer，Introduction to General Relativity（第二版），McGraw-Hill Book Company，New York，1975. 2. 俞允强，《广义相对论引论》，北京大学出版社，北京，1997。 3. S. Weinberg，Gravitation and Cosmology，John Wiley Sons,Inc.，New York，1972. 撰写人：邓祖淦(中国科学院研究生院) 撰写日期：2001年09日
11、广义相对论的几 个疑难问题 1、暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%，各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据认为，这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光， 但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。 天文学家已经证明：宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍的星系到最大星系团，都是由一种物质形式所维系在一起的，这种物质既不是构成我们银河系的那种物质，也不发光。这种物质可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成，该物质的聚集产生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时，这些粒子可能穿过地面实验室。 美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出 有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。 尚未发现的其它粒子有可能存在，例如一种称为超对称的新对称理论预言有一种大的新类型的粒子，其中有些可解释暗物质。现正在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强子对撞机（LHC）上开展的实验，以及地下低温暗物质寻找和空间利用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验，目的都是要寻找超对称粒子。 阿尔法磁谱仪（AMS）安装在国际空间站上，寻找反物质星系和
要了解狭义相对论和广义相对论的区别，我们首先要搞清楚，这两个理论大概说了什么？ 狭义相对论 我们先从狭义相对论说起，其实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。
广义相对论简介 引子 由牛顿力学到狭义相对论，基本观念的发展是，其一：由一切惯性系对力学规律平权到一切惯性系对所有物理规律平权；其二：由绝对时空到时空与运动有关。 爱因斯坦进一步的思考：非惯性系与惯性系会不平权吗？物质与运动密不可分，那么时空与物质有什么关系？关于惯性和引力的思考，是开启这一迷宫大门的钥匙，最终导致广义相对论的建立。 §1 广义相对论的基本原理 一、等效原理 1. 惯性质量与引力质量 实验事实：引力场中同一处，任何自由物体有相同的加速度。 根据上述事实及力学定律，可得任一物体的惯性质量 与引力质量 满足 常量，与运动物体性质无关，选择合适的单位，可令 ＝ ＝ ， 即惯性质量与引力质量相等。从而，在引力场中自由飞行的物体，其加速度必等于 当地的引力强度 。 2. 惯性力与引力 已知在非惯性系中引入惯性力后，可应用力学规律，而惯性力。在 此基础上，讨论下述假想实验。 1) 自由空间中的加速电梯(如图1) 以 为参考系,无法区分ma 是惯性力还是引力。因此，也可以认为是在引力场中 匀速运动的电梯。 2) 引力场中自由下落的电梯S*(如图2) 以S*为参考系，无法区分是二力平衡 还是无引力。因此，也可认为S*是 自由空间中匀速运动的电梯。 以上二例表明，由 ＝ ， 可导出惯性力与引力的力学效应不可区分， 或者说，一加速参考系与引力场等效。当然，由于真实引力场大范围空间内不均匀， 图 图1 图 2
因此，这种等效只在较小范围空间内才成立，我们称之为局域等效。 3. 等效原理 弱等效原理：局域内加速参考系与引力场的一切力学效应等效。 强等效原理：局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效。 广义相对论的等效原理是指强等效原理。 4.对惯性系的再认识——局域惯性系 按牛顿力学的定义，惯性定律成立的参考系叫惯性系。恒星参考系是很好的惯性 系，不存在严格符合此定义的真正的惯性系。惯性系之间无相对加速度。 按爱因斯坦的定义，狭义相对论成立的参考系，或（总）引力为零的参考系叫惯 性系。因此，以引力场中自由降落的物体为参考的局域参考系是严格的惯性系，简 称为局惯系。引力场中任一时空点的邻域内均可建立局惯系，在此参考系内运用狭 义相对论。同一时空点的各局惯系间无相对加速度，不同时空点的各局惯系间有相 对加速度。 二、广义相对性原理 原理叙述为：一切参考系对物理规律平权，即物理规律在一切参考系中的表述形 式相同。 为了在广义相对性原理的基础上建立广义相对论理论，爱因斯坦所做的进一步工 作是使引力几何化，即把引力场化作时空几何结构加以表述。对广义相对论普遍理 论的研究数学上涉及黎曼几何、张量分析等，超出本简介范围，下面只作浅显的说 明。 §2 引力场的时空弯曲 一、弯曲空间的概念 从高维平直空间可观测低维平直空间与弯曲空间的差异。 平面——二维平直空间内：测地线（即两点间距离的极值线）为直线，三角形内 角和＝，圆周长＝。 球面——二维弯曲空间：测地线为弧线，如图。三角形(PMN)的内角和＞， 圆周长＜。 故通过测量可判定空间弯曲。(如图3) Array二、引力场的空间弯曲 讨论爱因斯坦转盘(如图4) 相对惯性系S以角速度均匀 转动的参考系。由S系可推知 系中的测量结果（狭义相对论） 图 3
在狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有停止他科学创造的步伐。在1907年，当绝大部分物理学还没有理解狭义相对论所带来的物理学思想的重大革命意义时，爱因斯坦却远远超过了他同时代的物理学家，发现了狭义相对论的根本缺陷，开始了新的理论构想。 一、狭义相对论的局限性 爱因斯坦发现：“在古典力学里，同样也在狭义相对论里，有一个固有认识论的缺点。这个缺点恐怕是由E.马赫最先清楚地指出来的。”马赫的问题时：“为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊，这是怎么一回事？”的确，按照狭义相对论，很多物理量定律在洛伦兹变换下具有协变性，因而物理定律在各个惯性系里都成立。或者说对物理学定律而言，各个惯性系都是等效的。但是，无论是古典力学还是狭义相对论，都不能说明为什么只有惯性系才有特殊优越的地位？惯性系又是什么？按牛顿力学，凡是与做惯性运动物体相固联的参考系就是惯性系。但是如何确定物体在做惯性运动，最终有需仰仗一个“不动的绝对空间”，许多人，包括爱因斯坦本人都对这个问题产生了怀疑。1922年，他在京都大学访问期间所作的《我是如何创立相对论》的讲演中，谈到1907年他对狭义相对论的想法时，他说：“当时，我对狭义相对论并不满意，因为它被严格的限制在一个相互具有恒定速度的参考系中，它不适用于一个任意运动的参考系，于是我努力把这一限制取消，以使这一理论能在更多一般的情况下讨论。对于坚信因果关系的普遍性的爱因斯坦来说，当然不能容许惯性系与非惯性系之间这种内在不对称情况的存在。如何来解决这个难题呢？其最根本、最自然的作法。就是扩大狭义相对性原理的物理范围和内容。 除了惯性系这一限制外，狭义相对论的另一严重困难来自于引力，即狭义相对论与牛顿的引力公式和引力势方程不相容。 自狭义相对论提出后，许多人曾致力于检验各种物理定律在洛伦兹变换下的协变性，他们都获得了成功，但是包括爱因斯坦本人在内，都发现当把牛顿的引力理论纳入到相对论理论之中时，却遇到了明显的矛盾。 爱因斯坦的一个重要观点，是相信世界的内在和谐，追求理论的逻辑统一。运用狭义相对论理论，爱因斯坦已经把电场与磁场，质量和能量统一起来。并使牛顿力学与麦克斯韦方程协调起来。接着爱因斯坦就想把引力现象纳入到狭义相对论的理论体系中去。威力做到这一步，首先必须用场的表达式来描述引力现象。因为狭义相对论既然取消了绝对同时性观念，那么引力的超距作用也就不可能继续保留了。 开始，爱因斯坦认为寻找一个描述引力场变化的结构定律也许并不难。他设想：最简单的作法当然是保留拉普拉斯的引力标量势，并且用一个关于时间的微分量，以明显的方式来弥补足泊松方程。是狭义相对论得到满足。引力场中质点的运动定律也必须适应狭义相对论。”然而爱因斯坦的研究结果是令人怀疑的。因为，依照古典力学物体在竖直引力场中的竖直加速度，同该物体的速度的水平分量无关。因而，在这样的引力场里，一个力学体系或者它的重心的竖直加速度的产生，同它内在的动能无关。但是在1905年爱因斯坦根据狭义相对论已经得出：“物体的质量是它所含能量的量度。”根据这个结论，物体的惯性质量将随其能量而改变，因此落体的加速度将同它的水平速度或者该体系的内能有关。“这不符合这样一个古老的实验事实：在引力场中一切物体都具有同一加速度。”这一段尝试是爱因斯坦相信：“在狭义相对论的框子里，最不可能有令人满意的就是引力理论的。”关于这一认识，爱因斯坦在京都大学的讲演中说：“一个最令人不满意的事是，尽管惯性和能量之间的关系在狭义相对论中已经明确的解决了，但是惯性与重力或引力场内的能量关系并不清楚。我感到这个问题不可能在狭义相对论的框架中解决。” 值得称道的是，对狭义相对论提出上述两点质疑的，正是提出并建立狭义相对论的爱因斯坦本人。他以敏锐的洞察力及坚持不懈的探索精神，抓住了这两个致命的环节，一个更为深刻与普遍的广义相对论由此诞生。
第八章 相对论的发展 教学目的与要求：掌握：狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的；广义相对论的实验验证情况。熟悉：绝对时空观的困难；爱因斯坦的生平。 教学重点，难点：狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的；广义相对论的实验验证情况。 教学内容： §1.相对论先驱者的思想 一 洛仑兹的收缩假说 迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”在最初人们并没有因此否定静止以太的存在，反而认为是实验可能失败了。或力图对实验结果作出种种解释。其中最具代表性的理论假说是荷兰物理学家洛仑兹的收缩假说。 1．洛仑兹(H.A.Lorenzt) 1853年7月生于荷兰。1870年考入莱顿大学，主攻数学、物理学和天文学，1875年12月获得博士学位，1877年被乌得勒支大学聘为数学教授，同年莱顿大学授予他荷兰唯一的理论物理学教授席位（24岁）。1912年洛仑兹辞去莱顿大学教授职务，去政府部门任高等教育部部长。他创立了电子论，首次把以太和普通物质分开，1895年提出著名的洛仑兹力公式。他将经典电磁场理论发展到了最后的高度，为相对论的诞生创造了条件。他因其电子论对塞曼效应进行了定量解释，与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖。 2．长度收缩假说的提出 1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运动》，用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验。他认为运动物体在其运动方向上的收缩，抵消了地球在以太中运行所造成的光程差，所以观察不到预期的条纹移动。他写到：“我终于想出唯一的方法来调和它与菲涅耳的理论：连接一个固体上的两点连线，如果开始平行于地球运动的方向，当它转过90℃后就不能保持原来的长度。如果令后一个位置的长度为L ，则前一个位置的长度为L(1-α)。”其中α=v2/2c2 。1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为 22 1c v ? 洛仑兹一直认为这种收缩是真实的，是由分子运动引起的。这与爱因斯坦提出狭义相对论有本质区别。 3. 一级近似的解释及地方时 洛仑兹的上述收缩假说只涉及到v 2/c 2的这种二级近似。1895年，洛仑兹发表了《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》，提出了地方时概念，他对麦克斯韦方程组施加了一种变换。其中时间t 变为“当地时间” t′=t–(v/c2)x ，电场E 变换为E′=E+v×B/c ，磁场B 变换为B′=B-v×E/c ，结果发现麦克斯韦电磁场方程组的形式不变。由此证明其收缩假说可以准确到v/c 一阶范围。这样就解释了迈克尔逊—莫雷实验。 “当地时间”t’=t–(v/c 2)x ，指在物体上的测得的时间，它与坐标系的平移速度有关。它表明，好象在运动坐标系上的时钟走慢了。洛仑兹认为地方时只不过是一个数学假设，不具有真实的物理意义，而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。与此相反，爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间，地方时才是唯一真实的时间。 4．实验验证的失败 ①按照洛仑兹的长度收缩假说，物体的密度在不同的方向上会有所不同，这样光通过它
广义相对论的创立 1、广义相对论的创立是科学史上的奇迹 爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。他对科学的贡献遍及整个物理学领域。正如一些学者所指出的那样，“按照诺贝尔物理学奖颁发的标准，他至少可得五次奖金（指狭义相对论、质能相当性、广义相对论、光量子论、布朗运动等五项工作）。然而，在爱因斯坦的科学贡献中最令人赞叹的成就还是他成功地独自创立了广义相对论。 人们普遍认为，爱因斯坦在20世纪科学史上占据着至高无上的地位。如果我们问那些伟大的物理学家中的任何一个人，为20世纪物理学做出了最重要贡献的人是谁，那么，他们将会毫不犹豫地回答：阿耳伯特·爱因斯坦。爱因斯坦的物理发现的压倒一切的重要性和他在科学史中独一无二的地位被普遍地承认，并且几乎无可争辩。著名的物理学家朗之万在评价爱因斯坦时说：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦的地位将在最前列。他现在是并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说他是否同牛顿一样伟大，或者是比牛顿更伟大，不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿比拟的。按我的意，他也许比牛顿更伟大一些，因为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的结构中。”另一位著名的物理学家朗道曾对20世纪杰出的物理学家的贡献做过一个有趣的比较。他把玻尔。海森伯、狄拉克、薛定谔等人都列为第一等，把自己列为第ZI等，唯独把爱因斯坦列为第Z等。由此可以看出爱因斯坦在20 世纪科学史上占据多么突出的地位，而这主要是因为他独自一人成功地创立了广义相对论。 广义相对论的创立与其他物理学理论（包括狭义相对论）产生的途径完全不同，既不是为了解决理论与实验存在着的分歧，也不是为了满足理论发展的迫切需要，并且广义相对论是一项“真正的个人的工作”，完全是爱因斯坦独自的发现。 广义相对论是一门艰深难懂的理论，以致于它产生之后多年都很少有人真正弄懂它。英费尔德讲过这样一件趣事，“在大战期间爱丁顿作了一个关于广义相对论的报告。在报告结束时，一位物理学家对爱丁顿说：‘这是一个出色的报告。您是这个世界上懂得并熟悉它的三个人之一’。当爱丁顿露出怀疑的神情时，这位物理学家补充说：‘教授先生，您不要以为这是奉承的话，您是大谦虚了’。爱丁顿回答说：‘我并不感到难为情，我只是在想这第三个人是谁’。” 广义相对论又是一门优美迷人的理论，以致于人们往往用鉴赏一件艺术品的眼光去审视它，赞美它。德布罗意这样写道：它的“雅致和美丽是无可争辩的。它应该作为20世纪数学物理学的一座最优美的纪念碑而永垂不朽”。 广义相对论这种既艰深难懂又优美迷人的特征，在玻恩的一段话中表现的最为充分确切。他写道：“我还记得，1913年我在蜜月旅行途中随身行李里带了几本爱因斯坦的论文翻印本，它们老是好几个钟头地吸引着我的注意力，使我的新娘非常恼火。这些论文在我看来是很吸引人的，但是很难，几乎使人感到害怕。当我1915年在柏林遇到爱因斯坦的时候，这个理论已经有了很多改进，而且由于莱维瑞尔所发现的水星近日点的反常性得到解释更增加了一层光辉。我不仅从书刊中，而且从多次同爱因斯坦的讨论中懂得了它，其结果是，我决定绝不在这方面尝试做任何工作。广义相对论的创立那时在我看来乃是人类思索自然中的最伟大的功绩，是哲学领悟、物理直觉和数学技巧最惊人的结合，今天我还是这样看。但是，它和经验的关联太少。我觉得它好像是一件伟大的艺术品，供人远远欣赏和赞羡。” 2、爱因斯坦创立广义相对论的主要过程 创立广义相对论的过程是科学史上极为壮丽的一幕，是爱因斯坦多年探索的成果，是他非凡智慧的结晶，是他不懈努力的产物，从中可以使我们更加深入地理解爱因斯坦的主要思想方法。 爱因斯坦说过：“用尽可能简短的形式来表述一系列概念的进展，而又足以完整地把发展的连续性彻底保存下来，那是有点吸引人的。”本文力图按照这种精神，在其他一些学者研究工作的基础之上，简要叙述爱因斯坦创立广义相对论的主要过程，以便从中得出有益于我们的启示。 2、1、提出两条基本原理
1、xx相对论的创立是科学史上的奇迹 爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。他对科学的贡献遍及整个物理学领域。正如一些学者所指出的那样，“按照诺贝尔物理学奖颁发的标准，他至少可得五次奖金（指狭义相对论、质能相当性、广义相对论、光量子论、布朗运动等五项工作）。然而，在爱因斯坦的科学贡献中最令人赞叹的成就还是他成功地独自创立了广义相对论。 人们普遍认为，爱因斯坦在20世纪科学史上占据着至高无上的地位。如果我们问那些伟大的物理学家中的任何一个人，为20世纪物理学做出了最重要贡献的人是谁，那么，他们将会毫不犹豫地回答： 阿耳伯特·爱因斯坦。爱因斯坦的物理发现的压倒一切的重要性和他在科学史中独一无二的地位被普遍地承认，并且几乎无可争辩。著名的物理学家朗之万在评价爱因斯坦时说： “在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦的地位将在最前列。他现在是并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说他是否同牛顿一样伟大，或者是比牛顿更伟大，不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿比拟的。按我的意，他也许比牛顿更伟大一些，因为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的结构中。”另一位著名的物理学家朗道曾对20世纪杰出的物理学家的贡献做过一个有趣的比较。他把玻尔。海森伯、狄拉克、薛定谔等人都列为第一等，把自己列为第ZI等，唯独把爱因斯坦列为第Z等。由此可以看出爱因斯坦在20世纪科学史上占据多么突出的地位，而这主要是因为他独自一人成功地创立了广义相对论。 广义相对论的创立与其他物理学理论（包括狭义相对论）产生的途径完全不同，既不是为了解决理论与实验存在着的分歧，也不是为了满足理论发展的迫切需要，并且广义相对论是一项“真正的个人的工作”，完全是爱因斯坦独自的发现。
名词解释：——1）惯性系疑难 ——由于引力作用的普遍存在，任一物质的参考系总有加速度，因而总不会是真正的惯性系。在表述物理规律时惯性系占有特殊的优越地位，但自然界却不存在一个真正的惯性系。 2）广义相对性原理——所有参考系都是等价的（一切参考系都是平权的）。 3）史瓦西半径 ——史瓦西半径是任何具重力的质量之临界半径。在物理学和天文学中，尤其在万有引力理论、广义相对论中它是一个非常重要的概念。1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在，他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。 一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。 小于其史瓦西半径的物体被称为黑洞。在不自转的黑洞上，史瓦西半径所形成的球面组成一个视界。（自转的黑洞的情况稍许不同。）光和粒子均无法逃离这个球面。银河中心的超大质量黑洞的史瓦西半径约为780万千米。一个平均密度等于临界密度的球体的史瓦西半径等于我们的可观察宇宙的半径 公式2 2Gm r c = 4）爱因斯坦约定——对重复指标自动求和。 5）一阶逆（协）变张量—— 'x T T T T x α μμ μαμ?''→?=? （n 1 个分量） 6）二阶逆（协）变张量——''x x T T T T x x αβ μνμν μναβμν??''→?=?? （n 2个分量）
1）广义相对论为什么要使用张量方程？—— 将物理规律表达为张量方程，使它在任何参考系下具有相同的形式，从而满足广义相对性原理。 2）反称张量的性质？——(a)当任意两个指标取同样值时，张量的该分量为零。 (b)n 维空间中最高阶的反称张量是n 阶的，这张量只有一个独立分量。 (c)n 维空间中的n-1阶反称张量只有1n 个独立分量。 3）仿射联络的坐标变换公式？它是张量吗？ 4）仿射联络的性质？ 5）一阶逆（协）变张量协变微商的公式？;,T T T μμααλλμλ=+Γ ;,T T T λμνμνμνλ=-Γ
爱因斯坦广义相对论 广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。 如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。 进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。 我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。 在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。 广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。 广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。 爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广
广义相对论的思想起源 在狭义相对论中，自然定律在所有的惯性系中都保持着不变的形式。然而，这种理论却依然留下了两个疑难：l）引力定律不能被纳人狭义相对论的体系之中；2）惯性系不是宇宙中的真实存在。这两大疑难被爱因斯坦描述为狭义相对论“固有的认识论上的缺陷”。毫无疑问，这些缺陷构成了广义相对论的“科学问题”。 第一节马赫和马赫原理 尽管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。它们在自然界中确立了“特权阶级”。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。广义相对论阐明了这种“特权”的局限性。 经常有人说，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。的确，广义相对论是现代引力理论。如果不是日常计算实践的需要的话，在原理上它已经取代了牛顿的引力理论。不过，有一点很清楚，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（但也不怎么满意）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（Ernst Mach，1836～1916）的思想。 爱因斯坦说：“事实是，马赫曾经以其历史的批判的著作①对我们这一代自然科学家起过巨大的影响，在这些著作中，他以深切的感情注意各门科学的成长，追踪这些领域中起开创作用的研究工作者，一直到他们的内心深处。我甚至相信，那些自命为马赫的反对派的人，可以说几乎不知道他们曾经如同吸取他们母亲的乳汁那样吮吸了多少马赫的思维方式。” “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体馍和马赫那里受到莫大的启发。” 也许可以公正地反过来说，马赫应该感谢爱因斯坦，正是爱因斯坦对惯性的思索、研究并赋之以相对性观念，才使得马赫的科学思想和哲学思维方法大放异彩。 马赫（Ernst Mach，1838～1916）是斯洛伐克物理学家、生理学家、心理学家和哲学家。②他14岁才上学，也许是世界著名科学家中人学年龄最大的一个。他的启蒙老师就是他的父亲。1860年，马赫获得维也纳大学的博士学位，然后又在这所大学执教4年。他的第一篇论文是以实验支持多普勒定律。这篇文章反映了马赫坚持传统的物理学观点的倾向。他完全接受了物质的原子性分子理论和气体运动论。1864年，他移居到格拉兹（Graz）。从此，他的研究兴趣转向关于感觉的心理学和生理学。在格拉兹，他发现了现在称之为“马赫带”的光学现象。1867年，他在布拉格的查尔斯大学担任实验物理学教授，在超声研究方面做出了突出贡献。“马赫数”就是他的发现。马赫成为世界级的著名科学家兼哲学家，源自他的科学史和科学哲学研究。其中一项是关于知识理论的“思维经济原则”；另一项便是由爱因斯坦命名的“马赫原理”。 马赫的知识理论认为，我们所接受的是感觉，经验客体（事物、物体，物质，等等）都是感觉的符号。科学的产生，源于把相当复杂的感觉世界用最经济的方式来满足自我接受的需要。根据这些观点，马赫反对把“实体”（如原子）作为一种存在来建构理论。按照“马赫准则”，理论只能由那些可观察的现象归纳出来的命题构成；“证据”必然与经验相联系。马赫的这些认识论观点，曾经受到过科学上无知的哲学家们粗俗的谩骂，正是这些谩骂使马赫的哲学蜚声世界。 马赫原理早在17世纪贝克莱主教的著作中就已经有了萌芽。大略地讲，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。
广义相对论一个极其不可思议的世界 谷锐译原文：Slaven 广义相对论的基本概念解释： 在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前，我们必须假定一件事情：狭义相对论是正确的。这也就是说，广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的，整个理论的大厦都将垮塌。 为了理解广义相对论，我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。 质量的两种不同表述： 首先，让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。“它是重量”？事实上，我们认为质量是某种可称量的东西，正如我们是这样度量它的：我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢？是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作“引力质量”。我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行：地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。 现在，试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义：“它反抗加速度”。这种质量被称作“惯性质量”。 因此我们得出这个结论：我们可以用两种方法度量质量。要么我们称它的重量（非常简单），要么我们测量它对加速度的抵抗（使用牛顿定律）。 人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。 牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。 日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结论是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白，引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。 现在我们关注一下“下落”这个表述。物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的还是太阳的，它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。（加速度是速度每秒的增加值）
广义相对论的学习总结 1.引言 1.1前言 经过过去一年对广义相对论的学习，基本对广义相对论的基本原理和运用有了比较完整的认识。这篇文章是为了总结自己学习的体会，尽量用自己的语言谈谈对广义相对论的理解。由于作者水平有限，也为了文章的简洁，所以省去数学推导，仅保留基本的数学公式和方法说明。 广义相对论是爱因斯坦一大理论成果，可以解释宏观世界一切物体的运动，可以在一切坐标系下运用，本身又保持了相当完美的对称性和简洁性。随着空间探测技术的发展，广义相对论的许多结论都得到了证明，而广义相对论和量子力学构成了现代物理的两大支柱。 1.2导语 在具体介绍广义相对论的内容之前，我想用自己的语言，对广义相对论的思想和研究问题步骤做一个小的总结和介绍。总的来说，广义相对论是建立在四个假设之上，通过这四个假设，爱因斯坦认为惯性场和引力场等效，以及所有参考系的平权性。然后爱因斯坦把引力场认为是一种几何效应。是由于质量在空间上的分布不均匀，导致空间的空间扭曲。 在数学上，用张量来代表物理量，以满足物理规律在所有参考系下都成立。用黎曼几何来刻画弯曲空间，联络来描述引力强度，曲率
张量来描述空间弯曲，度规张量来描述引力势。 接下来便是构建场运动方程。我们可以用惠曼的名言总结道：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”按照爱因斯坦的想法，引力是由于质量空间分布不均匀造成的几何效应。所以爱因斯坦场方程左边应该是反映时空的几何性质的张量，右边是能动张量。再继续利用能量守恒定律，便可以推出爱因斯坦场方程。 应用爱因斯坦的场方程，得到了很多新奇的结论和实验预言，并且以“水星进动”和“引力红移”为代表的实验验证了广义相对论的正确性。 广义相对论还预言了引力弯曲效应极大情况下黑洞的存在。 而广义相对论作为宇宙学的理论基础，特别是近几十年观测技术的进步，使得宇宙学建立起了相对完整的理论系统。 2.基本假设 广义相对论建立在以下假设下。 2.1等效原理 广义相对论用的是强等效原理。 引力场与惯性场的的一切物理效应都是局域不可分辨的。 2.2马赫原理 惯性力起源于物质间的相互作用，起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动，而且与引力有着相同或相近的物理根源。
《广义相对论简介》教学设计 适用教材 人教版选修3-5第十五章第4节 教学目标 1．了解广义相对性原理和等效原理。 2．了解广义相对论的几个结论及主要观测证据。 3．通过本节学习，激发学生探索宇宙奥秘的兴趣，形成初步的相对论时空观。 教学重点 广义相对性原理和等效原理。 教学难点 理解广义相对论的几个结论。 教学方法 在教师的引导下，共同分析、研究得出结论。 教学用具： 投影仪及投影片。 教学过程 （一）引入新课 师：1915年，继狭义相对论发表10年之后，爱因斯坦又发表了广义相对论。这节课我们来了解一下广义相对论的基本原理和几个结论。 （二）进行新课 1．超越狭义相对论的思考 师：请大家阅读教材，回答狭义相对论中无法解释的两个问题是什么？
学生阅读、思考。 生：第一个问题，狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递，没有办法把万有引力理论纳入狭义相对论的理论框架；第二个问题，狭义相对论只适用于惯性参考系，为什么狭义相对论只在惯性参考系适用而在非惯性系不适用？狭义相对论本身无法解释。 师：爱因斯坦认真思考了以上两个问题，又向前迈进了一大步，把相对性原理推广到包括非惯性系在内的任意参考系，提出了广义相对性原理。 2．广义相对性原理和等效原理 师：广义相对性原理的内容：“在任何参考系中，物理规律都是相同的”，也可以理解为：“物理学定律必须对于无论哪种方式运动着的参考系都成立”。 师：在广义相对论中还有另一个基本原理这就是著名的等效原理。请大家阅读教材，看看什么是等效原理，它是如何提出来的。 学生阅读、思考。 师：（投影下图，做简要讲解。） 停泊在行星表面的飞船里，没有支撑的物体会做自由落体运动即匀加速运动，这是因为飞船处在行星表面空间的引力场中；如果飞船远离行星表面做匀加速运动，也会观察到没有支撑的物体的自由落体运即匀加速运动。我们不能根据飞船内的自由落体运动来判断飞船到底在加速运动，还是停在一个行星的表面。这说明一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，这就是等效原理。 3．广义相对论的几个结论
狭义与广义相对论浅说 爱因斯坦 .
第一部分狭义相对论·············································································································· ····································································································································································································································· ················································································································································································································· ······································································································· ················································································· ····································································· ············································································································ ············································································································ ························································································································································································································· ··························································································· ······················································································· ······································································································· ··························································································· ······································································································· ··································································································· ·········································································································· ························································································································································································································· ········································ ····························· ······················································································· ·························································································································································································· ················································ ······················································ ······················································································· ···································································· ··················································································· ··················································································· ···························································· ····················································································································································································································· ······························································································· ··············································································· ······························································································· ····························································································· ····················································································· ····························································································· ······································································· (4) 1．几何命题的物理意义 4 2．坐标系 5 3．经典力学中的空间和时间7 4．伽利略坐标系8 5．相对性原理（狭义）8 6．经典力学中所用的速度相加定理10 7．光的传播定律与相对性原理的表面抵触10 8．物理学的时间观12 9．同时性的相对性14 10．距离概念的相对性15 11．洛伦兹变换16 12．量杆和钟在运动时的行为19 13．速度相加定理斐索实验20 14．相对论的启发作用22 15．狭义相对论的普遍性结果22 16．经验和狭义相对论25 17．闵可夫斯基四维空间27 第二部分广义相对论29 18．狭义和广义相对性原理29 19．引力场31 20．惯性质量和引力质量相等是广义相对性公设的一个论据32 21．经典力学的基础和狭义相对论的基础在哪些方面不能令人满意34 22．广义相对性原理的几个推论35 23．在转动的参考物体上的钟和量杆的行为37 25．高斯坐标41 26．狭义相对论的空时连续区可以当作欧几里得连续区43 27．广义相对论的空时连续区不是欧几里得连续区44 28．广义相对性原理的严格表述45 29．在广义相对性原理的基础上解引力问题47 第三部分关于整个宇宙的一些考虑49 30．牛顿理论在宇宙论方面的困难49 31．一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性50 32．以广义相对论为依据的空间结构53 附录54 一、洛伦兹变换的简单推导54 二、闵可夫斯基四维空间（“世界”）57 三、广义相对论的实验证实58 （1）水星近日点的运动59 （2）光线在引力场中的偏转60 （3）光谱线的红向移动62 四、以广义相对论为依为依据的空间结构64 五、相对论与空间问题65