大学物理 广义相对论简介

广义相对论 (einstein)，马克斯·普朗克、萨缪尔·爱因斯坦和其他著名的物理学家都参与17世纪的改革，他们的努力使物理学作为一门独立的学科在当时得以确立。

马克斯·普朗克发展出经典力学，萨缪尔·爱因斯坦发现了相对论，它帮助人们更好地理解宇宙的结构。

萨缪尔·爱因斯坦创造了广义相对论，它是经典相对论的扩展，引发了一系列关于时空、引力和物质的探索。

1905年，他完成了他的相对论文，发现了物质和能量的关系，即著名的“E=mc2”，表示物质的总数（m）乘以光速的平方（c2）等于能量（E）。

他用贴近事实的方式完成了物理学的重新构想。

广义相对论还打破了传统的物理学，改变了人们的观念。

它表明，时间和空间是一体的，它们可以同时发生变化，这就要求不同的观测者对同一事件有不同的观察结果。

广义相对论也提供了一种新的引力观，指物质空间曲线可影响空间的流动，是引力现象的原因之一。

广义相对论的发现，彻底改变了宇宙的概念。

广义相对论的发现，不仅改变了宇宙的概念，而且改变了人类对宇宙规律的理解，开始了一场进步。

如今，广义相对论已被广泛应用于几乎每一个领域，如航天、计算机科学和量子物理学等。

物理学、天文学、航空航天、计算机科学和其他高等教育领域的发展，都离不开萨缪尔·爱因斯坦的贡献。

因此，重要的是要充分认识萨缪尔·爱因斯坦及其发明的广义相对论所带给我们的智慧，继续用它来丰富人们的学识，促进宇宙的进步。

物理学的发展也将影响后世人类文化的发展，因此大学与高等教育机构应利用这种智慧，努力培养出专业及创新能力强的人才，为人类社会的进步提供更多的助力。

广义相对论简介广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种关于引力的理论，被认为是现代物理学中最重要的理论之一。

它描述了物质与引力的相互作用，并尝试描绘宇宙的本质和演化。

狭义相对论和引力狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的一种关于时间和空间的理论。

它建立在两个前提之上：相对性原则和光速不变性原则。

相对性原则是指物理定律在所有惯性系中都是相同的；而光速不变性原则则是指在所有惯性系中，光速都是不变的。

这两个原则引出了许多奇异的结果，例如时间的相对性、长度的相对性以及著名的爱因斯坦提出的E=mc^2公式等。

然而，狭义相对论并没有涉及到引力这个问题。

引力是一种物质之间的相互作用，但在狭义相对论中，它被看作是一种偏加速度的现象，而非一种真正的原始力。

如果一个物体被放在引力场中，它会被加速，但这个加速度并非由真正的力所导致，而是由物体自身运动情况在曲线时空中引起的。

因此，爱因斯坦开始尝试发展一种理论，能够准确描述引力现象。

广义相对论和时空曲率广义相对论的基本思想是：曲线时空是由物质和能量所引起的曲率。

换句话说，物体的运动轨迹弯曲是由于空间本身被大块的物体扭曲了。

广义相对论中的重力场就像是一个由物体所形成的扭曲空间，而物体则像是在这个空间中前进。

例如，如果我们把一个足球放在床上，它会将周围的床单拉扯出变形，形成一个低谷，这就是类比于广义相对论中物质扭曲空间的过程所发生的情况。

一个小球在这个扭曲的空间中前进时，就像是从这个低谷中滚下去。

广义相对论中空间的曲率描述为时空度规张量，代表了空间的弯曲和拉伸情况。

它可以被用来计算物体的运动轨迹和相对运动情况。

广义相对论的实证广义相对论提出后，它所包含的一些预言已经得到了实证，使得它成为了一种重要的物理理论。

以下是一些实例：1.光线受引力场弯曲1920年，天文学家阿瑟·埃登顿利用日全食发现，太阳的引力影响了从它发出的光的传播方向，这证实了广义相对论中场强引力下光线的弯曲假说。

《广义相对论简介》知识清单一、什么是广义相对论广义相对论是现代物理学中非常重要的一个理论，由爱因斯坦于1915 年提出。

它是一种描述引力现象的理论，彻底改变了我们对引力的理解。

在牛顿的经典力学中，引力被描述为物体之间的一种吸引力，其大小与两个物体的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。

但广义相对论则从全新的角度来阐释引力。

广义相对论认为，引力不是一种传统意义上的力，而是时空弯曲的表现。

物质和能量的存在会导致时空弯曲，而物体在这个弯曲的时空中运动，就表现出了引力现象。

二、等效原理等效原理是广义相对论的重要基石之一。

它分为弱等效原理和强等效原理。

弱等效原理指出，在局部惯性系中，引力和加速运动是等效的。

想象一个封闭的电梯，如果电梯在没有引力的太空中加速上升，里面的人会有“向下”的感觉，就如同站在地球上受到重力一样。

强等效原理则进一步扩展，认为在任何一个时空点上，都可以选取一个局部惯性系，使得在其中物理规律的形式与在没有引力的惯性系中相同。

三、时空弯曲广义相对论中，时空不再是平坦的，而是可以被物质和能量弯曲。

就像一张弹性的网，放上重物会使其产生凹陷。

质量越大的物体，造成的时空弯曲就越明显。

比如太阳，它的巨大质量使周围的时空严重弯曲，导致行星沿着弯曲的轨道运行。

这种时空弯曲的概念不仅能够解释行星的运动，还能解释一些其他的引力现象，比如光线在经过太阳附近时会发生弯曲。

四、引力红移引力红移是广义相对论的一个重要预言。

由于引力场中不同位置的势能不同，光子在逃离引力场时会损失能量，导致其频率降低，波长变长，这就是引力红移。

通过对地球上和卫星上的原子钟进行精确测量，已经证实了引力红移的存在。

五、黑洞根据广义相对论的理论推导，当一个物体的质量足够大，压缩到一个极小的空间时，会形成一个“奇点”，其周围的时空被极度弯曲，形成一个连光都无法逃脱的区域，这就是黑洞。

黑洞的存在虽然在最初只是理论上的推测，但随着观测技术的不断进步，如今已经有了大量的观测证据支持黑洞的存在。

大学物理相对论目录相对论基本概念狭义相对性原理光速不变原理质能关系030201等效原理广义协变原理引力场方程相对论与经典物理关系相对论是经典物理的延伸和发展，解决了经典物理在高速和强引力场下的困境。

相对论和经典物理在低速和弱引力场下是一致的，但在极端条件下存在显著差异。

相对论揭示了时间和空间的相对性，以及质量和能量的等价性，这些概念在经典物理中是没有的。

狭义相对论基本原理洛伦兹变换同时性相对性在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另同时性相对性是狭义相对论的基本原理之一，与长度收缩和时间膨胀010203广义相对论基本原理等效原理弱等效原理强等效原理引力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。

弯曲时空概念时空弯曲测地线爱因斯坦场方程场方程形式$R_{munu} -frac{1}{2}g_{munu}R + Lambda g_{munu} = frac{8piG}{c^4}T_{munu}$，其中$R_{munu}$ 是里奇张量，$g_{munu}$ 是度规张量，$R$ 是标量曲率，$Lambda$ 是宇宙学常数，$G$ 是万有引力常数，$c$ 是光速，$T_{munu}$ 是能量-动量张量。

场方程的物理意义描述了物质如何影响时空的几何结构，以及时空几何结构如何影响物质的运动。

狭义相对论在物理学中应用质能关系及核能计算核反应能量计算质能方程在核反应中，质量亏损对应的能量释放遵循质能方程，可计算核反应释放的能量。

核裂变与核聚变1 2 3放射性衰变粒子衰变动力学衰变产物的检测与分析粒子衰变过程分析高速运动物体观测效应长度收缩效应时间膨胀效应质速关系及质能变化广义相对论在物理学中应用宇宙微波背景辐射广义相对论预测了宇宙微波背景辐射的存在，这是宇宙大爆炸后遗留下来的热辐射，为宇宙大爆炸理论提供了有力证据。

宇宙大爆炸理论广义相对论为宇宙大爆炸理论提供了理论框架，解释了宇宙的起源、膨胀和演化。

暗物质与暗能量广义相对论在解释宇宙大尺度结构形成和宇宙加速膨胀时，提出了暗物质和暗能量的概念，这些物质和能量对于理解宇宙的演化至关重要。

广义相对论课程教学大纲 课程基本信息（Course Information）课程代码 （Course Code） PH041学时（Credit Hours）48学分（Credits）3课程名称 （Course Name） （中文）广义相对论（英文）General Relativity课程性质(Course Type)专业选修课授课对象（Audience）物理学专业、物理学专业（国际班）大学三年级本科生 授课语言(Language ofInstruction)中文开课院系（School）物理与天文学院先修课程（Prerequisite）四大力学、高等数学授课教师 （Teacher） 张鹏杰课程网址(Course Webpage)*课程简介（Description） 本课程将从等效原理出发，简单介绍广义相对论：一个原理、两个方程。

（1）由等效原理引入联络、度规、黎曼张量等数学概念和张量分析等基本数学工具；（2）由等效原理引入测地线方程，即物质如何在引力场中运动；（3）爱因斯坦场方程；（4）场方程精确解（史瓦西解、FRW 度规和弗里德曼方程）及其应用（宇宙学应用）*课程简介（Description） In this course, I will briefly introduce general relativity, through the equivalence principle (EP): (1) introducing connection, metric, Riemann tensor and tensor analysis from EP; (2) introducing geodesic equation from EP; (3) the Einstein field equation; (4) exact solutions and applications.课程教学大纲（course syllabus）*学习目标(Learning Outcomes) 1．以最少的数学（微积分）、从物理图像出发介绍广义相对论 2．介绍广义相对论的宇宙学应用*教学内容、进教学内容 学时 教学方式作业及要求基本要求 考查方式度安排及要求 (Class Schedule & Requirements) 描述引力的基本数学量12 课堂教学,板书有练习题，不做评分标准掌握等效原理和联络、光速不变和度规、黎曼张量和潮汐力等知识广义相对论的基本数学工具12 同上 同上 掌握张量分析、张量分析的应用（狭义相对论‐>广义相对论）、黎曼张量及其性质等等知识爱因斯坦场方程9 同上 同上 场方程的可能形式及非唯一性、爱因斯坦场方程及其唯一性、广义相对论效应及与牛顿引力的区别、作用量原理及修改引力等知识同上爱因斯坦场方程精确解一6 同上 同上 掌握球对称稳态解、球对称非稳态解和Birkhoff 定理、宇宙学常数、其他精确解等知识爱因斯坦场方程精确解二7 同上 同上 掌握共动坐标、均匀各项同性宇宙、FRW 度规和弗里德曼方程、宇宙的膨胀及演化、距离‐红移关系及其他宇宙学解等知识期末考试 2*考核方式(Grading)期末闭卷考试*教材或参考资料 (Textbooks & Other Materials) Gravitation and cosmology. Stevin Weinberg (1972)：最主要参考书 A first course in general relativity. Schutz (2009) 有国内出版的英文版 Spacetime and geometry. Sean CarrollAn introduction to Einstein’s general relativity. James Hartle Gravitation. Misner, Thorne and Wheeler其它（More）备注（Notes）考核方式及方式中各项比例根据教学实践可能有所调整。

广义相对论简单入门1905年，阿尔伯特·爱因斯坦断定惯性系之间的物理定律应当完全相同以及真空中的光速和观测者的速度无关。

这些是狭义相对论的基础，狭义相对论提出了物理学的新框架同时提出了关于时间和空间的新概念。

之后爱因斯坦花费了十年时间尝试把狭义相对论推广到加速系，最终他发表了广义相对论。

广义相对论提出，大质量的物体会引起时空的畸变，它自身也会感受到引力。

引力的拖拽两个物体会感受到对方给自己的吸引，这就是我们知道的引力。

艾萨克·牛顿建立了运动三定律并量化了两个物体之间引力的大小。

两个物体之间的引力大小取决于两者各自的质量以及他们之间的距离。

当地心将你向它拖拽，你也在拉拽地球。

但是引力对质量较大的物体拖拽不明显，你自身较小的质量使你觉得自身被牢牢固定在地面。

不过牛顿假设引力是一种可以作用一段距离的物体所固有的力。

阿尔伯特·爱因斯在狭义相对论中断定物理定律在所有惯性系中都是一样的；无论观测者以什么速度运行，他测到的真空中光速都是一样的。

事实上，他发现时间和空间可以相互交织在一起形成连续的时空。

某一观察者眼中同时发生的事情在其他观察者眼中可能发生在不同时刻。

质量使时空发生弯曲来源：wikipedia当爱因斯坦得到了广义性对论的公式时，他意识到质量巨大的物体可以令时空发生弯曲。

可以想象在蹦床的中心放置一个巨大的物体。

这个物体会把布面往下压使得它的表面出现凹陷。

在蹦床边缘滚动的球体就会向着中心的物体螺旋运动，就像引力在太空中吸引着行星周围的石块。

实验证据尽管实验装置不能直接看到或者测量到时空，但是时空弯曲所预言的许多现象已经被观察到。

引力透镜：在质量巨大的物体周围，光线会发生弯曲。

对于它后面的物体来说，这个物体就像是巨大的透镜一样。

天文学家一般利用这种办法研究超大物体背后的恒星和星系。

爱因斯坦十字来源：wikipedia爱因斯坦十字是位于飞马星座的类星体，它是引力透镜的典型例子。

广义相对论广义相对论（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。

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模型的理论基础。

广义相对论介绍广义相对论（General Theory of Relativity）是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出的一项革命性的科学理论，它彻底改变了我们对引力的理解，重新定义了时空的本质，并提供了宇宙演化的新框架。

以下是广义相对论的详细介绍：1. 引言广义相对论是物理学中的一项杰出成就，它是关于引力的现代理论。

在广义相对论之前，牛顿的引力理论被广泛接受，它将引力视为物体之间的相互吸引力，通过引力作用力来描述。

然而，爱因斯坦的广义相对论提出了一种全新的理解引力的方式，即质量和能量并不像牛顿理论中那样通过作用力来相互作用，而是通过弯曲时空来影响物体的运动轨迹。

2. 时空的曲率广义相对论的核心思想是时空的曲率。

爱因斯坦认为，质量和能量引起了时空的弯曲，就像放在弯曲表面上的物体会沿着曲线移动一样。

这种弯曲效应导致物体的自由下落，看起来就像是受到了引力。

这个理念在当今的物理学中被称为“引力是时空的弯曲”。

3. 等效原理广义相对论中的一个关键概念是等效原理。

它表明，所有的物体都以相同的方式响应引力场，不论它们的质量或性质如何。

这意味着一个物体的自由下落只是它沿着弯曲时空中的测地线运动，而不受其自身性质的影响。

4. 爱因斯坦场方程广义相对论的核心数学工具是爱因斯坦场方程，它描述了时空如何与物质和能量分布相互作用。

这个方程包含了时空度量张量和能动张量，通过它可以计算出时空的度量和物体的运动。

爱因斯坦场方程的解决方法被称为“度规”，它决定了时空的几何结构。

5. 实验验证广义相对论的一大特点是它的预言在许多实验和观测中得到了验证。

一些著名的验证实验包括：黯淡的恒星位置偏移：1919年的日食观测表明，太阳光经过太阳边缘时会受到引力的影响，导致背景恒星的位置发生微小偏移，这与广义相对论的预言相符。

引力透镜效应：引力场会弯曲光线，使远处的物体看起来像是被放大了。

这个效应已在许多天文观测中得到了验证。

广义相对论简介之一：广义相对论的基本原理
李复
【期刊名称】《大学物理》
【年(卷),期】1997(016)004
【摘要】大大学物理的层次上介绍广义相对论的等效原理和广义相对性原理，讨论局域惯性系，时空弯曲和引力几何化。

【总页数】3页(P42-44)
【作者】李复
【作者单位】清华大学现代应用物理系
【正文语种】中文
【中图分类】O412.1
【相关文献】
1.广义相对论简介之二——广义相对论的空间和时间（一） [J], 李复
2.广义相对论简介之三——广义相对论的空间和时间（二） [J], 李复;李芬
3.视广义相对论及新广义相对论为广义引力理论特殊情况的研究 [J], 陈方培;任洪梅
4.由广义相对论引发的一个启发性地质学观点——地质运动的广义相对论效应 [J], 程峻峰;
5.广义相对论简介——工科大学物理课讲授广义相对论的一种方案 [J], 陈惟蓉;刘凤英
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广义相对论发展史
爱因斯坦的广义相对论被认为是人类理性思维世界中最耀眼的明珠，爱因斯坦也因此从普通的物理学家变成了超一流、神一样的物理学家。

广义相对论是爱因斯坦在1905年发现狭义相对论以后开始思考的，其基本的研究线索还是等效原理的推广，狭义相对论适用于静止或者匀速直线运动的场景，这种场景下，物理定律对任何人都是等价的，得出结论是时空是可以变化的；但是广义相对论对于非匀速运动却不适用，广义相对论就是为了解决这个问题，其目标是要解决在加速场景下，物理定律对任何人也是等价的。

爱因斯坦从惯性质量与引力质量相等这个想法出发，逐步发展出了广义相对论，其中的发现过程是非常痛苦的，因为其用到的黎曼空间几何数学非常有复杂，计算过程很困难，爱因斯坦在自己努力的同时，不得不求助数学家帮忙，包括他的大学同学格罗斯曼、希尔伯特等。

终于在1915年推出了正确的广义相对论方程，其实伟大的数学家希尔伯特比爱因斯坦提前几天就得到了正确的方式，但是由于这个方程的物理学意义是爱因斯坦提出的，因此这个方程被称为爱因斯坦方程。

其核心意思是物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

广义相对论被证明是正确的主要有两点：一是成功解释水星绕太阳运动时的进动问题；二是光线经过太阳会被弯曲（这一点是1919年由英国科学家爱丁顿领导完成的）。

当然，之后还有很多实验证明了广义相对论的正确性。