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
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
《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
广义相对论课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：广义相对论 所属专业：理论物理专业 课程性质：专业方向必修课 学分：3 （二）课程简介、目标与任务；‘ Einstein在1915年创建的广义相对论是关于时间—空间的性质与物质及其运动相互依赖关系的学说，是建立在广义协变性要求，等效原理和黎曼几何基础上的引力理论和宏观物质运动理论。广义相对论就其创造性和理论的深刻程度来说，都是非凡的和令人惊奇的，这一理论不仅对牛顿力学的核心内容（牛顿方程和万有引力）给予了统一和深刻的解释，还预言了许多牛顿力学所不能解释的新物理效应，并为以后的天文观测和实验所验证。本课程主要介绍广义相对论的数学基础、基本概念和基础知识以及广义相对论的经典实验验证。通过课程的学习使学生深入了解和掌握广义相对论的知识，为进一步深造打下扎实的基础，并能够应用到研究工作中。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 先修课程包括：理论力学、电动力学。先修课程是该课程的理论基础。 （四）教材与主要参考书。 教材： 广义相对论讲义，段一士 主要参考书： 1.《广义相对论》，刘辽，高等教育出版社 2.《微分几何入门与广义相对论》，梁灿彬，科学出版社 3.《Gravitation》，C.W.Misner, K.S.Thorne, J.A.Wheeler，W.H.Freeman and company 4.《General Relativity》,Robert M.Wald, The University of Chicago Press
二、课程内容与安排 第一章引言（2学时） 1.1 相对论发展简史 1.2 广义相对论基本原理 第二章黎曼几何（12学时） 2.1 张量 2.2 协变微商 2.3 曲率张量与挠率 2.4 黎曼流形、度规和黎曼联络 2.5 黎曼曲率张量 2.6 利奇（Ricci）张量、标曲率和爱因斯坦张量 2.7 黎曼曲率张量与拓扑 2.8 微分形式与外积 2.9 不变体积元和广义高斯积分定理 第三章爱因斯坦引力场方程（15学时） 3.1 广义相对论基本原理 3.2 “短程线”方程与矢量的平行移动 3.4 度规的弱引力场和低速近似与牛顿第二定律 3.5 爱因斯坦引力场方程 3.6 爱因斯坦引力场方程的作用量、Palatini公式 3.7 广义相对论中的坐标条件 第四章引力场方程的中心球对称解与新引力效应（18学时） 4.1 引力场方程的中心球对称解 4.2 行星轨道进动 4.3 光线在恒星附近的偏折 4.4 雷达回波的延迟 4.5 固有时与引力频移
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。
普通高中课程标准实验教科书—物理选修3－4[人教版] 第十五章相对论简介 新课程学习 15.4 广义相对论简介 ★新课标要求 （一）知识与技能 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。 （二）过程与方法 通过本节的学习，初步认识狭义相对论和广义相对论的基本原理。 （三）情感、态度与价值观 通过本节内容的学习，激发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117页有关内容，说一说狭义相对论中无法解释的几个问题是什么？ 学生阅读、思考。 生：狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递；狭义相对论是惯性参考系之间的理论。为什么惯性参考系有这样特殊的地位？狭义相对论无法解释。 师：爱因斯坦认真思考了以上问题，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：在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理。 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。）
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 师：从广义相对论的两个基本原理出发，可以直接得到一些“意想不到”的结论。请大家阅读教材，说明得到了哪些结论这些解论的实验验证是什么？ 学生阅读，思考。 生1：第一个结论，物质的引力使光线弯曲。20世纪初，人们观测到了太阳引力场引起的光线弯曲。观测到了太阳后面的恒星。 生2：第二个结论，引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。例如在强引力的星球附近，时间进程会变慢。天文观测到了引力红移现象，验证了这一结论的成立。 师：总结学生的回答。投影下图做必要讲解。 鼓励学生勇于探索，用于发现新的规律，为推动人类文明做出自己的贡献。 （三）课堂总结、点评 本节我们了解了爱因斯坦在对狭义相对论无法解释的几个问题的思考的基础上，提出了广义相对性原理和等效原理，从而创立了广义相对论。我们还了解了广义相对论的两个
3．广义相对论的简介洛伦兹变换告诉我们，时间与空间有内在联系。“能量动量张量”的表达式和“质能关系式表明，质量与运动不可分割，真空光速不变原理和相对性原理告诉我们，一切惯性系平权。所以绝对时空的概念被Einstein抛弃了。抛弃绝对时空导致了一个新的困难：惯性系如何确定？ 不仅如此，万有引力不能纳入相对论的框架。 在对以上两个问题的反复思考下，Einstein提出了广义相对性原理和等效原理作为建立新理论的基石。 （1）狭义相对性原理 一切惯性参考系都是平权的。基本物理规律在任何坐标系形式下都不变——广义协变原理。 （2）一切惯性参考系内，任意参考者测量光速都是c。 （3）等效原理。 1907年，Einstein在《关于相对论原理和由此得出的结论》一文中，作出了关于引力对时钟的影响及引力红移的预言。他根据引力场与惯性力场等效的思想得出，一个处于引力场中的时钟，当所在点引力势为Ф时，它所指示的当地时间读数将是与它调准的不处在引力场中的同样读数的（1+Ф/c2）倍。“在这个意义上，我们可以说，在过程发生地点的引力势愈大，在时钟中发生的过程——一般说来是任何物理过程——也就进行得愈快。”[1]同样的结论在1911年4月所发表的《引力对光传播的影响》一文中也给出了。在这篇论文中，Einstein从等效原理出发，得出了光从无引力场的真空中的频率ν0到
引力势为Φ中的频率ν的变化与引力势间的关系是ν=ν0(1+Φ/c2)，这与引力场中时钟读数的变化一致；同时结合波传播的惠更斯原理，得出光在经过引力场时传播方向发生朝向天体偏折的结论，偏折角为以后实际测量结果和广义相对论计算结果的一半。在这篇论文中，Einstein根据等效原理还论证了静态引力场的光速不是常数，处于引力场为Φ的场中光速为c与真空中光速c0的关系是c=c0(1+Φ/c2)。半年后，亚伯拉罕首次把这个结论推广到非静态场中，他尝试后发现把非恒定光速的思想推广到狭义相对论是不可能的。亚伯拉罕对此评论说：“c的可变性意味着洛伦兹群只能在无限小区域中成立。”这一论断后来被Einstein马上发现[2]。 对于Einstein来说，1907——1908年，是广义相对论的初创阶段。直到1911年，Einstein还没有放弃牛顿的引力论，只是在旧理论上点缀了“等效原理”，弄成了东拼西凑的混合物，得出的结论在量上不可能是精确的。Einstein在1912年2月和1912年3月接连准备好了两篇关于引力的文章，提出的都是时间弯曲而空间平直的模型；还提出了光速在引力场中不是常数，等效原理只对无限小的场成立，引力场能量密度带来的引力场的非线性等观点。 从1912年8月Einstein回到苏黎士以后的一年多的时间里，他与格罗斯曼合作，先后发表了三篇文章，这些文章标志着广义相对论发展过程的重要阶段。其中第一篇论文《广义相对论纲要和引力论》发表于1913年。在这篇论文中，Einstein在他的新思想与相适应的数学方法相结合上作了第一次尝试。但是，有两个问题值得注意，第一
一、牛顿理论对引力红移的解释 光子在逃离引力场时势能增加 R m GM r r r GMm E R =???????-=?∫∞ r r d 3由于光子的质量为 2c h m ν=其中h 为普朗克常量，ν为光子的频率；光子能量变化量又可以用频率的变化量来表示 ν ??=?h E 因此 R c h GM R m GM E h 2 νν==?=??红移量为R c GM 2=?νν二、稳态时空中的标准钟 在静态时空中，要求 0=??μνg t 且()3,2,100==k g k 而在稳态时空中，不要求时轴正交，仅要求 0=??μνg t 假设太阳（P 1点）在t 1时刻发射一光线，地球（P 2点）在t 2时刻收到；太阳在t'1时刻又 发射一光线，地球在t'2时刻收到。由于时空稳态，所以121 2t t t t -=′-′移项，得 1 11222d d t t t t t t =-′=-′=需要注意的时，移项前后表达式的物理含义有着本质的区别：移项前，表示两束光线从太阳传播到地球所需要的时间相同；移项后，表示太阳发射两束光线的时间间隔与地球接受到两束光线的时间间隔相等。 ()()()()1 1222110020021100122002d 2121d d d d d d τττττr c GM r c GM g g t g t g --=--=???????-=?-=式中r 1为太阳半径R ，r 2为日地距离。当r 2>>r 1时，可认为r 2=∞，因此 121 22d 21d ττ-????? ?-=R c GM 三、广义相对论中的引力红移 频率的定义为
t N d d =ν太阳发射的光线为 1 11d d τν?=N 地球接收到的光线为 2 22d d τν?=N 令21d d N N =，则 ()()1212 212120010012112212121d d ννννττνν<-≈--=--==R c GM r c GM r c GM g g ν1表示在太阳处测得的太阳光谱，ν2表示在地球处测得的太阳光谱。红移量为L +?? ????+=--=-=222212121211R c GM R c GM R c GM Z ννν牛顿理论计算出的红移量仅为广义相对论计算出的红移量的一阶分量，而不包含高阶分量。引力红移的结论表明：当光离开引力源时，频率减小；反之，当光射向引力源时，频率增大。
广义相对论的诞生 物理学贺显丰14344007 摘要 广义相对论是人类思想史上的杰作，是纯粹理性思维的胜利。通往广义相对论之路展现了物理学史上一幅最激动人心最恢弘壮阔的图景。本文回顾了广义相对论诞生的历程，介绍了爱因斯坦建立广义相对论的伟大贡献，探讨了广义相对论对现代物理学的影响。 关键词 广义相对论；爱因斯坦；弯曲时空；科学史 1 引言 2015年是广义相对论创建100周年，也是狭义相对论诞生110周年。 广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论后，对物理学作出的又一巨大贡献， 也是他一生科学成就的巅峰。 1915年11月25日，36岁的爱因斯坦在普鲁士科学院报告了“基于广 义相对论对水星近日点运动的解释”，而后在1916年第7期的物理年鉴上 发表了“广义相对论基础”一文，对广义相对论作了系统的阐释，这标志着 广义相对论的诞生。广义相对论以其深刻的物理思想、抽象的数学工具以 及精确的实验验证，成为物理学史上具有划时代意义的杰作。 本文介绍了爱因斯坦创建广义相对论的过程，以及在这一过程中爱因 斯坦经历的多次物理思想上的飞跃，从中我们可以了解一般科学研究的方 法，这对现实的科学研究具有重要意义。我们还在最后简要探讨了广义相 对论对现代物理学的影响。 2 广义相对论的诞生 2.1 狭义相对论的困难 狭义相对论发表之后，受到了学术界的赞扬，但是也有一些反对的意 见，不过爱因斯坦很清楚这些反对的人是因为没有理解相对论。可是很快， 爱因斯坦便认识到自己的狭义相对论确实存在问题，而且是很严重的问 题，但并非是反对者所谓的问题。他的理论面临着两个严重的困难：一个 是“惯性系无法定义”；另一个是“万有引力定律不能写成洛伦兹协变的形 式”。 狭义相对论是建立在惯性系的基础上的，然而现在惯性系却无法定义 了，这是一个严重的问题。在牛顿理论中，惯性系被定义为相对于绝对空 间静止或作匀速直线运动的参考系，但是狭义相对论抛弃了绝对空间，因 此上述定义不再有效。爱因斯坦曾尝试利用牛顿第一定律来重新定义惯性 系，即一个不受外力的物体在其中保持静止或匀速直线运动状态的参考系 为惯性系，但是“不受外力”意味着一个物体能在惯性系中保持静止或匀速 直线运动的状态。很明显这种定义造成了逻辑上的循环。可见，惯性系的 定义问题是狭义相对论的一个基本困难。
相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了近代物理学的基础。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。 相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无大质量物体扭曲时空改变物体行进方向关。狭义相对论（Special Relativity）和广义相对论（General Relativity）的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。 由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。 狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹的诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。 根据质能方程，人们很容易推出“ 光速是宇宙中最快速度”。因为，当物体达到光速时，其质量将变得无穷大，与事实不相符。然而，还有人提出，存在着两种宇宙，即“快宇宙” 和“ 慢宇宙”。所有基本粒子在快宇宙中比光速快，即快子，因此，他们所组成的物质也比光速快，反之亦然。此外，有天文学家惊人观测到超光速现象，包括星系相离的速度、类星体膨胀的虚度等等。但是，至今没有一种说法令人信服，也没有一种说法推翻相对论。绝对时空观 所谓时空观，即是有关时间和空间的物理性质的认识。伽利略变换是力学相对论原理的数学描述。它集中反映了经典力学的绝对时空观。 1．时间间隔与惯性系的选择无关 若有两事件先后发生，在两个不同的惯性系中的观测者测得的时间间隔相同。 2．空间间隔也与惯性系的选择无关 空间任意两点之间的距离与惯性系的选择无关。 我们可以看出，在经典力学中，物体的坐标和速度是相对的，同一地点也是相对的。但时间、长度和质量这三个物理量是绝对的，同时性也是绝对的。这就是经典力学的绝对时空观。 以太？ 十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。在十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种连续介质叫做“以太”，光线和射电讯号是在以太中的波动。完整理论需要的是仔细测量以太的弹性性质，为此，哈佛大学建立了杰弗逊实验室，整个建筑不用任何铁钉，以免干扰磁测量，然而因策划者忽视了褐红色砖头中所含大量铁，预计实验无法如期进行。到世纪之末，开始出现了和穿透一切以太的观念的偏差，如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论；如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。就此，人们发现，这是一个充满矛盾的理论。
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。脉冲星和微波背景辐射的发现，证实了以广义相对论为基础的中子星理论和大爆炸宇宙论的预言。近年来，对于脉冲双星的观测也提供了有关引力波存在的证据。 60年代以来，奇性理论和黑洞物理的研究取得很大进展。近来，关于正能定理的猜测得到了证明，有关引力的量子理论以及把引力同其他相互作用统一起来的研究也极为活跃。这些，不仅丰富了对广义相对论理论基础的认识，同时，也揭示了广义相对论本身所不能解决的一些重大的疑难问题，为进一步探索引力相互作用，以及时间、空间和宇宙的奥秘提出了新的课题。 广义相对论的理论基础 爱因斯坦提出等效原理、广义协变性原理和马赫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。30年代，爱因斯坦等人又发展了运动理论。60年代以来，R．彭罗塞引入现代微分几何的方法，并和S．W．霍金等人发展了奇性理论。近年来，丘成桐等人又完成对著名的正能猜测的证明。这些都大大丰富了广义相对论的理论基础并提出新的课题。 广义相对论的基本原理 等效原理是广义相对论最重要的基本原理。这个原理的实验依据是由厄缶实验等精确证明的引力质量和惯性质量的等价性。 爱因斯坦认为，这个等价性的重要推论是：在自由下落的升降机里，由于升降机以及其中所有的仪器都以同样的加速度下降，因而无法检验外引力场的效应。换句话说，自由下落升降机的惯性力和引力互相抵消了。爱因斯坦认为，这表明，引力和惯性力实际上是等效的。这就是爱因斯坦原来意义下的等效原理。 不过，在真实的引力场和惯性力场之间并不存在严格的相消。比如，真实的引力场会引起潮汐现象，而惯性力场却并不导致这种效应。但是，在自由下落的升降机里，除开引力以外，一切自然定律都保持着在狭义相对论中的形式。事实上，这正是真实引力场的重要本质。如果把自由下落的升降机称为局部惯性系，那么，等效原理就可以比较严格地叙述为：在真实引力场中的每一时空点，都存在着一类局部惯性系，其中除引力以外的自然定律和狭义相对论中的完全相同。 爱因斯坦把狭义相对论所考察的作匀速运动的参照系之间的相对性。推广到作任意运动的参照系之间的相对性。为此，他提出物理定律必须在任意坐标系中都具有相同的形式，即它们必须在任意坐标变换下是协变的。这就是广义协变性原理。 广义协变性对物理定律的内容并没有什么限制，只是对定律的数学表述提出了要求。爱因斯坦后来也是这样认为的：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