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
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
宇宙学之引力波简谈 从爱因斯坦预言引力波，至今的一百多年里，科学家们从来没停止过对引力波的探索。到20世纪60年代，引力波探索先驱韦伯提出了一种共振型引力波探测器，为世界上最早的引力波探测器，后来人们发展出了以激光干涉仪为原理的探测器，代表就是美国的LIGO 和欧洲的VIRGO。庞大的LIGO，每条“腿”都有4000米长，前后每次升级已经花费了几十亿美金，人类如此大动作要探测的引力波，到底能给我们带来什么？ 首先，对科学家来说，是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。引力波最吸引人的地方是，它可以被用作窥探宇宙深处的工具，是科学家观测宇宙的眼睛。由于有不衰减的特性，它所携带的关于波源的信息，能帮人类洞悉整个宇宙的源头。那对我们普通人来说，至少引力波让我们知道了黄金是怎么来的…… 引力波是爱因斯坦在广义相对论中的一大预言，是指物质加速运动所带来的时空扰动，也称“时空的涟漪”。在广义相对论中，万有引力是由质量对时空的弯曲所造成的，质量越大，时空就弯曲得越厉害。那“时空的弯曲”是指什么呢？我们平时看到的空间，貌似是平直的，但真实的情况却是扭曲的，宛若哈哈镜一般。如果我们将宇宙时空想象成一个大蹦床，在没有任何扰动的情况下，它是平坦的。一旦有质量的物体出现时，比如一个小球，或者是像地球这样的庞然大物，它都会变得弯曲，只不过，这种弯曲对生活在这个宇宙大蹦床上的微小生物来说，是无法感受得到的，不是由于我们跟蹦床一起弯曲了，而是因为这种弯曲实在太微小，我们完全感受不到。如果这个大质量物体发生变化，比如小球蹦走了，或者是地球爆炸了，这个大蹦床依然在震动，那这种震动就是引力波！引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是对引力波另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射。 因为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，因此引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。引力波的发现为人类提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。 引力波的探测也是困难重重，早在20世纪70年代中期，科学家Rainer Weiss分析了干扰测量的背景噪声的可能来源，并且还设计了一种检测器，一种基于激光的干涉仪，可以克服这种噪音。引力波（重力波）以光速传播，充满了宇宙，正如爱因斯坦在广义相对
智慧树知到《数学宇宙的语言》章节测试答案 绪论 1、爱因斯坦因为数学的限制，使得广义相对论的研究难以开展，后来他用了7年的时间努力学习黎曼几何，才得以继续他伟大的创举。 A:对 B:错 正确答案：对 2、20世纪初爱因斯坦创立的狭义相对论与广义相对论。 A:对 B:错 正确答案：对 3、400年前开普勒发明的微积分。 A:对 B:错 正确答案：错 4、牛顿花费20年的时间思考归纳出的行星运动三定律。 A:对 B:错 正确答案：错 第一章 1、四色定理的机器证明被所有数学家们认可。 A:对 B:错
正确答案：错 2、数学已经成为人类看待世界的一种方式，这里的世界包括我们所居住的物理的、生物的与社会学的世界，以及我们心灵与思维的世界。 A:对 B:错 正确答案：对 3、下列关于数学的说法，错误的是（）。 A:数学的高度抽象性决定了其应用的广泛性。 B:任何学科都有抽象的成分，数学的抽象程度与其他学科的抽象一样，没有区别。 C:数学理论的真正形成是从古希腊开始的。 D:数论是古老的数学分支，是纯粹数学思维的产物，除了起智力体操的作用以外，没有什么实际的用途。 正确答案：任何学科都有抽象的成分，数学的抽象程度与其他学科的抽象一样，没有区别。,数论是古老的数学分支，是纯粹数学思维的产物，除了起智力体操的作用以外，没有什么实际的用途。 4、整数理论中的“算术基本定理”，其内容是：任一大于1的自然数都可以分解成若干个素数的乘积，如果不计素数因子的顺序，这种分解是唯一的。 A:对 B:错 正确答案：对 5、当花粉的小颗粒悬浮在液体中时，在显微镜下可以看到不规则的复杂运动，运动的轨迹是一种处处可导的光滑曲线。 A:对 B:错 正确答案：错
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。
《让物理学界沸腾的引力波》阅读附答案 让物理学界沸腾的引力波 霍光 ①2016年2月12日，全世界的物理学界都沸腾了——百年前已经被预言的引力波，终于被探测到了。 ②普通大众却很少有人知道，“引力波”到底是什么为什么探测到它需要百年努力它又能给世界带来什么 ③爱因斯坦在广义相对论中，将引力解释为时空的弯曲。它的意思是，我们平时感知的空间貌似是平直的，但真实的情况中，却是像在哈哈镜里一样，是弯曲的。这种弯曲是物质造成的，质量越大，造成的弯曲就越大。我们可以把宇宙想象成一个蹦床，如果没有任何干扰，它是平坦的。但当有质量的物体出现时，比如一个鸡蛋，来游乐场的小孩子，或者是地球这样的庞然大物，它就会变得弯曲。这种弯曲，由于我们跟着蹦床一起弯曲了或弯曲太微小，我们完全感觉不到。但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就会开始震动，这种震动就是引力波。当然，跟着一起震动的我们也感觉不到它在震动。 ④但物理学家可不这么想，他们急需感觉到震动，来证明自己确实读懂了宇宙。于是，他们发明了世界上最大和最贵的——圆规,或许很像，但他们把它叫做迈克耳逊干涉仪，或是LIGO。LIGO的“两条腿”每条都有4000米长。它的原理是什么假设我们有两个短跑运动员，他们在任何情况下跑步速度都一样，那么，如果跑道因为引力波扰动，长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力，在一个方向上拉伸一样，他们从LIGO的两条腿上跑回来的时间就会发生些微的差异。我们就知道，空间确实在震动。 ⑤然而，这并不是那么简单的。第一，震动太小了，也许4000米只会发生米(我帮你数好了，这里应该有17个0)的变化。第二，我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或是地震影响我们的观测，所以要用各种设备让两条腿稳定。同时，我们还要在很远的地方再建一个，如果两个都震动了，我们就知道这不是科研人员绝望情况下掀桌子引起的。 ⑥这个美国国家科学基金会(NSF)资助的项目前前后后已经花去了数十亿美元。对于大众来说，或许会怀疑花费这么多美元去探索引力波有何意义。听到这个消息，爱因斯坦当然会高兴，因为这证明了他不像普通人类的脑袋瓜又对了。不过，其他物理学家呢对他们来说，这轻轻的一震，比《美人鱼》、《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看，因为它蕴含的剧情，是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始时，这个大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在，有多大规模等等。据科学家说，这次的引力波就是在距离我们超级远的地方，由我们看不到的超级大的黑洞的变化引起的。 16．结合全文，简要概括本文的主要内容。 17．第②段能否删掉？为什么？请结合全文从内容和结构加以分析。 18．本文是科普作品,语言风格幽默风趣,又不失科学准确。作者为了将高冷艰深的“引力波”知识普及，语言力求或通俗易懂或具体准确；请任选一个方面，举例分析其作用。 参考答案： 16.本文主要介绍了引力波的概念,探测的工具与原理,探测的意义。 17．不能删掉。第②自然段运用了三个设问, 引导读者思考并引出本文主要说明的内容，层层深入，逻辑严密。结构上，总领了全文，结构严谨。 18．举例，说明方法：通俗易懂或具体准确，作用。
广义相对论学习心得 理论物理周成康 学号16212289 张宏浩老师您好，我是选修了您的广义相对论的硕士生周成康，首先谢谢您在广相课程中的付出的劳动。 我的导师是姚道新老师，方向是关联电子体系的蒙特卡洛模拟。虽然方向与广义相对无关，但是基于兴趣选择了广义相对论的课程。很高兴选修了张宏浩老师的广义相对论的课程，本人本科只是一般院校，基础一般，不能说得上好，所以刚开始听的几堂课都比较吃力，但老师您的课幽默不失风趣，是我能够坚持听下来，对广义相对论与黎曼几何有了一定程度的了解。 广义相对是描述物质间的引力相互作用的理论，将引力与时空的变化相联系起来，而描述时空变化的工具是黎曼几何和张量分析。黎曼几何相对于欧几里的几何的优势在于，在描述同样的空间扭曲时，不需要引入额外的维度来描述，例如描述二维曲面时，在欧氏几何需要三维空间才能表达，但是在黎曼几何却只需要同样的二维表达。这意味着分析广相时，使用黎曼几何能有效简化过程，只利用最少的维度便可以表示清楚。 在广义相对论理论体系中，基本假设包含以下几点：1，等效原理：爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走；2，广义相对性原理：物理定律的形式在一切参考系都是不变的。该定理是狭义相对性原理的推广。在狭义相对论中，如果我们尝试去定义惯性系，会出现死循环：一般地，不受外力的物体，在其保持静止或匀速直线运动状态不变的坐标系是惯性系；但如何判定物体不受外力？回答只能是，当物体保持静止或匀速直线运动状态不变时，物体不受外力。很明显，逻辑出现了难以消除的死循环。这说明对于惯性系，人们无法给出严格定义，这不能不说是狭义相对论的严重缺憾。为了解决这个问题，爱因斯坦直接将惯性系的概念从相对论中剔除，用“任何参考系”代替了原来狭义相对性原理中“惯性系”；3，引力质量与惯性质量：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(实际上是成正比,调整系数后,就变成"等于"了,这么做是为了方便计算)，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。 广义相对不但是人们对时空与引力的认识跨入一个新的高度，同时也预言了许多新的现象和结论，包括引力波，引力透镜效应等。 引力波随着LIGO成功测得，成为时下热词。在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速
绝密★启用前 2020届湘赣皖·长郡十五校高三联考第二次考试 理科综合能力测试物理部分 时量：150分钟总分：300分 注意事项： 1.本试卷分第I卷(选择题)和第II卷(非选择题)两部分。答卷前，考生务必将自己的姓名、准考证号填写在答题卡上。 2.回答第I卷时，选出每小题答案后，用铅笔把答题卡，上对应题目的答案标号涂黑。如需改动，用橡皮擦干净后，再选涂其他答案标号。写在本试卷上无效。 3.回答第II卷时，将答案写在答题卡上后写在本试卷上无效。 4.考试结束后，将本试卷和答题卡一并交回。 第I卷(选择题，共126分) 二、选择题：本题共8小题，每题6分，在每小题给出的四个选项中，第14～18题只有一个选项符合题目要求。第19～21题有多个选项符合题目要求。全部答对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。 14.如图a为氢原子的能级图，大量处于n＝2激发态的氢原子吸收一定频率的光子后跃迁到较高的能级，之后再向低能级跃迁时辐射出10种不同频率的光子。当用这些辐射出的光子去照射如图b，所示光电管阴极K时，光电管发生了光电效应，改变电源的正负极并调节滑动变阻器滑片，发现遏止电压最大值为8V。则 A.该光电管阴极K的逸出功为7.06 eV B.吸收的光子能量为2.86 eV C.跃迁过程中辐射出的光子能量是连续的 D.辐射出来的10种光子中只有3种能使该光电管发生光电效应 15.某同学参加学校运动会立定跳远项目比赛，起跳直至着地过程如图，测量得到比赛成绩是
2.4m，目测空中脚离地最大高度约0.8m，假设该同学的质量为60kg。忽略空气阻力，则起跳过程该同学所做功为(g＝10m/s2) A.750J B.480J C.270J D.1470J 16.2016年2月11日，美国科学家宣布探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前的预言，弥补了爱因斯坦广义相对论中最后一块缺失的“拼图”。双星的运动是产生引力波的来源之一，假设宇宙中有一双星系统由a、b两颗星体组成，这两颗星绕它们连线的某一点在万有引力作用下做匀速圆周运动，测得a星的周期为T，a、b两颗星的距离为l，a、b两颗星的轨道半径之差为△r(a的轨道半径小于b的轨道半径)，则 A.b星公转的周期为() () l r l T r -? +? B.a星公转的线速度大小为 () T l r π+? C.a.b两颗星的质量之比为l r l r +? -? D.a、b两颗星的半径之比为 l l r -? 17.一电流表的原理如图所示。质量为m＝20g的均质细金属棒MN的中点处通过一绝缘挂钩与一竖直悬挂的弹簧相连，弹簧劲度系数为k＝2.0N/m。在矩形区域abcd内有匀强磁场，磁感应强度大小B＝0.20T，方向垂直纸面向外。与MN的右端N连接的一绝缘轻指针可指示标尺上的读数，MN的长度大于ab且ab＝0.20m，当MN中没有电流通过且处于平衡状态时，MN与矩形区域的cd边重合，当MN中有电流通过时，指针示数可表示电流强度，不计通电时电流产生的磁场的作用(g＝10m/s2) A.若要电流表正常工作，N端应接电源正极 B.若将量程扩大2倍，磁感应强度应变为B'＝0.40T C.若bc＝0.050m，此电流表的量程为I m＝2.0A D.当电流表示数为零时，弹簧伸长10cm 18.如图所示的装置中，在A端用外力F把一个质量为m的小球沿倾角为30°的光滑斜面匀速向上拉动，已知在小球匀速运动的过程中，拴在小球上的绳子与水平固定杆之间的夹角从
引力波 (Redirected from 重力波(相对论)) 本文介绍的是相对论中的引力波。关于流体力学中的重力波，详见“重力波(流体力学)”。 在物理学中，引力波指时空曲率中以波的形式从射源向外传播的扰动，这种波会以引力辐射的形式传递能量。阿尔伯特·爱因斯坦根据他的广义相对论[1]，于1916年预言了引力波的存在[2]。理论上可以被探测到的引力波射源包括由白矮星、中子星或黑洞组成的联星系统。引力波现象是广义相对论的局域洛伦兹协变性的结果之一，因为它限制了相互作用的传播速度。相反，牛顿引力理论中的相互作用都以无限的速度传播，所以在这一理论下并不存在引力波。 科学家已通过各种间接方法发现了引力辐射的证据。例如，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星在互相公转时逐渐靠近，这为引力辐射的存在提供了证据；两人因这项发现于1993年获得了诺贝尔物理学奖。 [3]科学家也利用引力波探测器来观测引力波现象，如简称LIGO的激光干涉引力波天文台。2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心的天文学家宣布利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应，一经证实，这将成为宇宙暴胀和大爆炸理论的强烈证据。 概述
爱因斯坦广义相对论所描述的引力，是时空曲率所产生的一种现象。质量可以导致这种曲率。当物质在时空中运动时，附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。这一传播现象就是引力波。[7][8] 当引力波通过远处的观测者时，观测者会发现时空被扭曲了。两个自由物体之间的距离会有节奏地波动，频率与引力波相同。然而，在这一过程中，这两个自由物体并没有受力，座标位置也没有变化；改变的，是时空座标本身的距离。在观测者处的引力波强度和与波源间的距离呈反比。根据预测，螺旋形靠近的中子双星系统由于质量高、加速度高，因此在合并时会发射出强大的引力波。但是因为天文距离尺度之大，就算是最激烈的事件所产生的引力波，在到达地球后效应已变得极低，其应变的数量级低于10?21分之一。[9]为了探测到这种细微的变化，科学家不断增加探测器的灵敏度。截至2012年，最为敏感的探测器位于LIGO和VIRGO天文台，灵敏度高达5×1022分之一。[10]这些天文台未能探测到引力波，这为这种引力波的频率设下了上限。欧洲空间局正在研发一座用来探测引力波的空间天文台，激光干涉空间天线。 线性偏振引力波 引力波能够穿透电磁波所无法穿透的空间。科学家推测，引力波能够帮助了解位于宇宙远处的各种天体，例如黑洞。这类天体无法用光学望远镜和射电望远镜等传统方式观测。宇宙学家还能够利用引力波来观测宇宙最早期状态。传统的天文学方法无法用来直接观测早期宇宙，因为在复合之前，宇宙无法被电磁波所穿透。[13]对引力波更精确的测量还能进一步验证广义相对论。 引力波理论上可以取任何频率，但极低频率几乎无法探测，而极高频率也没有可观测的已知波源。史蒂芬·霍金和维尔纳·伊斯雷尔（Werner Israel）预测，可以被探测到的引力波频率在10?7 Hz和1011 Hz之间。 引力波通过时的效应 一个由粒子组成的环在十字型偏振引力波下的作用
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。
浅谈引力波的历史、定义及意义 摘要：在爱因斯坦提出引力波概念100周年以后，美国的LIGO【激光干涉引 力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）】和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。这是物理学界里程碑式的重大成果，引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。 关键词：广义相对论引力波探索历史意义
2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: We have detected Gravitaiton Waves.We did it!（我们已经探测到引力波，我们做到了！）瞬间这一消息引爆微博、朋友圈等各大平台。作为一名大一的学生，我对这一“不明觉厉”的名词产生了浓厚的兴趣，在看过若干生动形象的科普视频、现场发布会实录、对著名科学家霍金的这方面的采访，查阅过相关文章后，决定系统地浅谈一下关于引力波的渊源、探索历史、具体定义，及这项轰动全球的事件背后重大的意义。 1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。 简单生动地来讲，引力波是时空中的涟漪。如果把时空想象成一张巨大的橡胶模，有质量的物质会让橡胶模弯曲，好比在蹦床上扔了个保龄球，质量越大，时空被引力波扭曲的越厉害。举个例子来说，地球绕着太阳转，是因为太阳的质量非常大，导致其周围的时空大大形变，如果想沿着这样的形变走直线，你会发现，事实上是在绕圈，轨道就是这样来的，并没有什么力拉着行星绕圈，只是时空弯曲着。有质量的物质一加速，改变了时空中的扭曲，引力波随之而生。任何有质量并且（或者）有能量的东西，都能产生引力波。要是两个人彼此相绕跳一支舞，他们也会导致时空的涟漪，但非常微不足道，实际
相对论（关于时空和引力的基本理论） 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。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律 与参照系的选择无关。 狭义相对论和广义相对的区别是，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。相对论极大地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。它发 展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。 狭义相对性原理是相对论的两个基本假定，在目前实验的观测下，物体的运动与相对 论是吻合很好的，所以目前普遍认为相对论是正确的理论。 研究发展编辑 研究历程 广义相对论 1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与 光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。[1] 1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含 了狭义相对论的基本思想和基本内容。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力 学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太 漂流是不存在的。[2] 1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原 理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根
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
第一单元客观题 1、爱因斯坦创立广义相对论时用到了下列什么重要的数学工具？（C ） A、数论 B、欧式几何 C、黎曼几何 D、线性代数 2、下面这个方程有没有整数解？ 方程有没有整数解？（A ） A、有 B、没有 3、下列哪个是孪生素数对？（ B） A、(11,17) B、(17,19) C、(7,9) D、(11,19) 4、圆与椭圆在下列哪个数学分支中可看作一样？（ B） A、代数 B、拓扑 C、几何 D、分析 5、具有同样周长的下列图形哪个面积更大？（ B） A、正三角形 B、圆 C、正六边形 D、正四边形 6、以下汉字哪一个可以一笔不重复地写出？（ D） A、甲 B、目 C、田 D、日 7、偶数与正整数哪个多？（D ） A、无法确定 B、正整数 C、偶数 D、一样多 8、数列极限趋于0的直观定义的弱点是下面哪一点？（ C） A、骂人不带脏字 B、过于代数化 C、缺乏可操作性 D、没提到0 9、课程中费曼的故事告诉我们懂得一件事情最重要的是下面列出的哪一条？（ C） A、大象比茶杯高 B、记得数字 C、找到感觉 D、恐龙24英尺高 10、超弦理论中蜷缩的空间可以用下面那个空间来描述（ B） A、Euclid空间 B、Calabi-Yau空间 C、Minkowski空间 D、Hilbert空间 第一单元思考题 1、哈密顿周游世界问题 这是以英国数学家哈密顿名字命名的一个游戏，在一个正十二面体的二十个顶点（为什么是二十个顶点）上分别标上一个城市名，问可否设计一条路线，沿着正十二面体不重复周游二十个城市（如图），为什么？ 解，如图所示
图中所示的路线就可以实现不重复周游二十个城市。 2、（如图）一个黑白相间的8*8的国际象棋棋盘，去掉左上角和右下角的两个白颜色的格子，给31多米诺骨牌，骨牌的大小正好盖住两个格子，那我们可否用这31骨牌盖住整个棋盘呢？ 1、不可以，31骨牌能盖住62个格子，其中一定是31个黑格子和 31个白格子；而棋盘除掉两个角后，也是剩下62个格子，但是其 中有32个黑格子，30个白格子； 3、所以骨牌不能将黑格子盖完， 即不能盖住剩下的整个棋盘。 第二单元客观题 1、下面哪一位人物用穷竭法证明了圆的面积与其直径平方成正比？（ D） A、徽 B、欧几里得 C、阿基米德 D、欧多克索斯 2、以下什么成果是阿基米德首先得到的?（C ) A、圆的面积与其直径的平方成正比 B、穷竭法 C、抛物线弓形的面积 D、圆周率的值 3、阿基米德求几何级数的和用的是什么方法？（ C） A、平衡法 B、穷竭法 C、几何的方法 D、代数的方法 4、欧多克索斯、阿基米德和徽等人对微积分的贡献主要体现在什么方面？（C ） A、函数 B、不定积分 C、定积分 D、微分学 5、《一种发展连续不可分量的新几何学的方法》是下列哪位数学家的著作？（C ） A、伽利略 B、开普勒 C、卡瓦列里 D、牛顿 6、现在我们一直在用的“函数（function）”这个词是谁引进的？（ C） A、牛顿 B、费马 C、莱布尼兹 D、卡瓦列里 7、本课程提到的最美的风景点是指？（ C） A、流数术 B、不可分量 C、牛顿-莱布尼兹公式 D、加百列号角 8、一直沿用至今的ε-δ语言是哪位数学家引入的？（ C） A、康托尔 B、牛顿 C、尔斯特拉斯 D、傅立叶 9、康托尔所创立的什么理论是实数以至整个微积分理论体系的基础？（C ） A、群论 B、虚数理论 C、集合论 D、量子理论 10、下面关于黎曼可积和勒贝格可积的论述那一项是正确的？（ C） A、两种积分函数类都是不完备的 B、黎曼可积函数类是完备的，勒贝格可积函数类是不完备的 C、黎曼可积函数类是不完备的，勒贝格可积函数类是完备的
广义相对论下黑洞的概念 米歇耳和拉普拉斯的工作提出不久，托马斯·杨(Young)发现了光的干涉与衍射现象.在以后的一百多年间，光的波动学说代替了光的粒子学说，米歇耳和拉普拉斯建立在光的粒子学说基础上得出的结论，逐渐被人们淡忘了.直到1916年从爱因斯坦(Einstein)的广义相对论中导出了与他们相同的结果，米歇耳和拉普拉斯的工作才再度引起人们的关注.1916年，在爱因斯坦广义相对论发表后不久，施瓦西(Schwarzschild)导出了爱因斯坦场方程的一个准确解，即施瓦西解.这个解给出了对静态球对称黑洞，即施瓦西黑洞的描述，这标志着用广义相对论研究黑洞的开始.【2】 按照广义相对论，物质决定时空如何弯曲，而光和物质的运动将由弯曲时空的曲率决定，当曲率大到一定程度时，光线就无法跑出去了，广义相对论中黑洞的概念就是这样产生的. 下面是钱德拉塞卡（Chandrasekhan S）给出的黑洞定义. 定义1：黑洞将三维空间分为两个区域，一个是以称之为视界的二维光滑曲面为边界的内区域，一个是视界以外渐进平直的外区域，而且内区域的点不能与外区域的点交换讯息. u小于光速，即物体可以以小于光的速度从其表定义2：一个星球，如果它的逃逸速度 e 面逃逸，那么这个星球一定不是黑洞. Einstein在广义相对论中所建立的引力场方程为：,这个方程是高度非线性的，一般不能严格求解.只有在对时空度规附加一些对称性或其他要求下，使方程大大简化，才有可能求出一些严格解.在引力场球对称的假定下，可以得到方程的史瓦西解： 显然，度规在和ｒ＝0处奇异（趋于无穷大）.但是,处的奇异是由于坐标系带来的,可以通过适当的坐标系变换来避免.1960年代，克鲁斯科(Kruskal)提出一个说法.他说爱因斯坦场方程的解之所以会无穷发散，是因为坐标系选择得
山西省吉县高三语文第三次教学质量检测试卷 姓名:________ 班级:________ 成绩:________ 一、现代文阅读 (共4题；共64分) 1. （12分） (2019高一上·和平期中) 阅读下面的文字，完成下列小题。 人工智能如何打开未来 李洪兴 “来！试试这杯机器人的手冲咖啡。”从下单到取咖啡只需十秒左右，在美国旧金山，一款咖啡机器人近期受到媒体广泛关注。不少体验者认为，机器的手冲咖啡可媲美人工制作。无论是咖啡师、厨师，还是服务员、保洁员，以“机器人＋”为代表的人工智能逐渐走进我们的生活，似乎成为一种有吸引力的选择。 电影《摩根》的预告片出自人工智能之手，新闻消息由机器人完成，谷歌机器人在围棋的人机对战中屡尝胜果……拥抱人工智能，是技术变革带来的时代红利。20世纪50年代，十位科学家在达特茅斯会议上提出“人工智能”的概念。60多年来，原本存于科幻故事里的主角，已“飞入寻常百姓家”。从无人汽车到农牧自动化作业，从医疗看护到育婴保姆，人工智能早已见惯不怪，对劳动力的解放也显而易见。但面对人工智能，人类并未变得更加从容，对其了解越深入越觉得担忧，每一波人工智能的升级，都伴有焦虑和恐惧。在好莱坞电影中，人工智能产生自我意识后“造反”的桥段不胜枚举。如何与人工智能和平相处？答案依然在探索之中。 今年1月，麦肯锡全球研究院的报告预测，人类工作有一半可能在2055年实现自动化。对技术乐观派而言，人工智能的意义在于为发展更新了“发动机”。埃森哲咨询公司在研究了美国、英国等12个发达国家后认为，人工智能预计在2035年能将这些国家的生产率提高40％左右。然而，在另一部分人看来，人工智能或许是一个随时可能“张开獠牙”的影子。正如霍金所言，“人类由于受到缓慢的生物进化的限制，无法与机器竞争，并会被取代。全人工智能的发展可能导致人类的终结”。从“类人类”到掌握人类思维，科学家们的提醒，揭示了潜在危险所具有的巨大能量。 不过，有一点是共识，即机器人与自然人不同，而且要加以区分。近期，欧洲议会就正式向委员会提议，打算设立一套全面的法律来界定人工智能带来的责任和道德问题。美国作家艾萨克·阿西莫夫在科幻小说《我，机器人》中曾设想“机器人法则”：机器人不得伤害人类，也不能在人类受到伤害时袖手旁观。考虑到机器人会在很多领域代替人类工作，比尔·盖茨就提议向机器人征税，此前欧洲议会也对类似法律提案进行过投票。制定法规，是否会造成过度干预，又该如何避免阻碍创新？在发展人工智能的同时，人类也在进行着去焦虑化和去危机化的制度探索。 （1）下列对“人工智能”有关内容的理解，不正确的一项是（）
()是科学的本质含义。 A、创新 B、文明 C、真理 D、知识 我的 答案： D得分： 25.0分2 (),世界上第一次使用科学”一词。 A、公元四、五世纪B公元六、七世纪C、公元七、八世纪D、公元九、十世纪我的 答案： C得分： 25.0分3我们可以采用德国哲学家维特根斯坦()的观点来对科学进行分类。 A、本质说B性质说C、家族相似说 D、起源说 我的 答案： C得分： 25.0分4二阶历史是我们通常所说的历史。()我的 答案：x 1 关于默会知识，下列说法不正确的是（）。 A、无所不在 B、不易察觉 C、灵光一现不属于默会知识化过程中 D、人类进
最早出现的知识 我的 答案： C得分： 20.0分2 （）是xx知识。 A、实用知识 B、理论知识 C、文本知识 D、默会知识 我的 答案： B得分： 20.0分3 （）是现代物理学的开创者和奠基人。 A、门捷列夫 B、居里夫人 C、爱迪生D爱因斯坦 我的 答案： D得分： 20.0分4理论的知识起源于人对世界的普遍领悟。（）我的 答案： V得分： 20.0 分5 如果知识不能被写出来，则不能将它称为知识。（）我的 答案：X 1 （）是人类农业社会出现的标志。
A、驯化动物 B、粮食种植 C、定居生活 D、以上都对A、锲形文字B、楔形文字C、象形文字D、甲骨文 我的 答案： B得分： 25.0分2人类文明出现的标志是（）。 A、文字的出现 B、手工艺由工艺走向工程 C、城市的出现 D、以上 都对 我的 答案： D得分： 25.0分3下列内容中，不属于古典科学的是（）。 A、希腊数理天文学B希腊逻辑哲学C希腊自然哲学D、希腊医学 我的 答案： B得分： 25.0分4巴比伦发明了六十进制，并沿用至今。（）我的 答案： 对勾1关于希腊科学，下列说法正确的是（）
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）