广义相对论

四、黑洞（black hole）
设一飞船自无限远，由静止向星球自由降落。
M
dt , dr
dt , dr
r
0
v
r m
2 1 v 2GM 2 mv 2 GMm , 2 2 r 2 c c r
dt 2GM dt , dr 1 2 dl cr 2GM 1 2 cr
8.11 广义相对论（引力的时空理论）简介 一、等效原理和局域惯性系 1、严格的惯性系 自由粒子总保持静止或匀速直线运动状态的 参考系，是严格的惯性系。 无引力场的区域，才是严格的惯性系！ 例如，太空中远离任何物体的区域。 但参考系由其他物体群构成。这样，自由粒 子将不复存在，惯性系的定义出现了问题！ 在引力场中，存在严格的惯性系吗？
―黑洞”不“黑”：1974年，霍金结合量子 力学和相对论，指出黑洞并非全黑 — 黑洞能 够辐射，这就是著名的霍金辐射。黑洞在辐 射过程中，将能量辐射出去，这意味着黑洞 将逐渐缩小，最后在爆炸中结束生命。
19
天文学家还发现，黑洞吸引其他恒星的物质 ，不是一下子就吸引过去，而是在看不见的周 围形成一个会转的物质盘 ( 叫做吸积盘 ) 。另外 一个恒星的物质是先打到这个盘上去，盘上的 物质才像螺旋一样进入黑洞。
为验证时空弯曲和惯 性系拖曳效应 （大质量 物体旋转拖动周围时空 发生扭曲）， 2004 年 4 月 20 日美国发射“引力探 测器B”卫星。证实了爱 因斯坦的理论预言的误 差低于1%。
黑洞视频：
21
此时rs 10 km 。
17
黑洞拉伸、撕裂并吞噬一小部分恒星，最终将恒星大部 18 分质量抛向宇宙空间的模拟过程图。
恒星演化的晚期，其核心部分经过核反应 T ∼ 6109K，各类中微子过程都能够发生， 中微子将核心区的能量迅速带走 引力坍缩 强冲击波 外层物质抛射或超新星爆发 致密天体（白矮星、中子星、黑洞）

1971年，威勒（J.A.Wheeler）命名这样的事物 为“黑洞”，因为光无法从中逃逸。基于许多证据， 天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天体（其 证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互 作用中得到；并且有时它们会发出X射线，这被认为 是正在坠入其中的物质发出的）。 显示超级黑洞存在的一个线索是几十年前发现的 类星体（遥远星系中最明亮的物体）。类星体比它所 在的整个星系还亮几百倍，却比我们的太阳系还小。 在这么小的空间里怎么能发出那么强烈的光和辐射呢？ 一个可能的解释是黑洞。
四、广义相对论时空特性的几个例子 1. 光线的引力偏折 由于太阳造成时空弯曲，遥远星球发出的光线 经过太阳附近时会发生弯曲。 星球实 其偏转角： 际位置 理论值
1.75
太阳 地球

视影
实验观测值： 1919年5月29日发生日全食时，在 巴西和西非两个观测队所得的结果 是
和
1.98 0.12 1.61 0.30
施瓦氏用坐标的术语表述了它的“公制”概念： 在距离物体很远的地方，近似于一个带有一条用以表 示时间的附加t 轴的球坐标，另一个坐标r用作该处 的球坐标半径；而更远的地方，它只给出物体的距离。 然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪 起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，那里的时空 弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向 实际成为时间（而非空间）的方向。任何处于这个范 围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠 向奇点。这个区域被一个施瓦氏坐标消失的面与宇宙 的其他部分分离开来。 当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体 的密度都达不到使这个内部区域扩大到物体之外的程 度，即对于所有已知情况，施瓦氏解的这个奇怪部分 都不适用。
五、膨胀的宇宙 1. 星系谱线红移 1929年，美国天文学家哈勃观测到星系谱线 的红移现象，发现星系离开我们的退行速度为

广义相对论具体解释
广义相对论是20世纪最重要的科学理论之一，它是爱因斯坦创造的一种关于引力的新理论，主要用于描述物体之间的重力相互作用。

下面按照列表的形式来详细解释广义相对论的一些基本概念和原理：
1. 引力
广义相对论的核心概念是引力，它是由物体之间相互作用产生的一种力。

与牛顿经典力学相比，广义相对论提出了更为精细的引力理论，它认为物体之间的引力是由于它们所在的四维时空的形状和分布造成的。

2. 四维时空
广义相对论认为，我们所处的宇宙是一个四维时空，包括三个空间维度和一个时间维度。

物体在这个四维时空中运动，不仅会受到引力的作用，而且会影响四维时空的结构和形状，从而产生重力波等现象。

3. 等效原理
广义相对论的另一个核心原理是等效原理，它认为在惯性系和加速系中，物理学的结论是相同的，这意味着任何物理实验都不能区分物体是自由下落还是被一个恒定的引力场作用所带动。

4. 柯西表面
柯西表面是广义相对论中一个重要的概念，它描述了空间中的物体如何相互作用，以及如何随时间发生变化。

通过观察柯西表面，我们可
以研究物体的形态、位置和速度等信息。

5. 黑洞
广义相对论的一个重要应用是黑洞理论。

黑洞是指宇宙中一种特殊的物体，它的引力非常强大，甚至连光都无法逃脱。

广义相对论成功地解释了黑洞的存在和性质，同时也启示了我们对宇宙的深入探索。

总之，广义相对论是一种非常精密的物理理论，它帮助我们理解了物质、时空和引力之间的相互作用关系，为我们认识宇宙提供了新的视角。

广义相对论详解
广义相对论是爱因斯坦在20世纪初提出的一种重要的物理学理论，它是对牛顿力学的一种深刻扩展和修正。

广义相对论的核心思想是：质量和能量会扭曲时空，而物质和能量的运动则会受到时空的扭曲影响。

这种扭曲效应可以被看作是物质和能量对时空的“重力”作用，因此广义相对论被认为是一种描述重力的理论。

广义相对论的核心方程是爱因斯坦场方程，它描述了时空的几何结构和物质的分布之间的关系。

这个方程通常写成：Rμν - 1/2 gμνR = 8πTμν
其中Rμν是时空的曲率张量，gμν是时空的度规张量，R是曲率标量，Tμν是物质和能量的张量。

这个方程的意义是：左边描述了时空的几何结构，右边描述了物质和能量的分布，两者之间通过这个方程建立了联系。

广义相对论是一种非常成功的理论，它在很多方面都得到了验证。

例如，它成功地解释了黑洞的存在和性质，预测了引力波的存在并在2015年被实验观测到，还解释了宇宙加速膨胀的现象。

此外，广义相对论还为现代宇宙学提供了重要的理论基础。

然而，广义相对论也存在一些问题和挑战。

例如，它无法与量子力学相一致，因此需要发展出一种量子引力理论来解决这个问题。

此外，广义相对论对于时空的奇异性（例如
黑洞内部和宇宙大爆炸的起源）的描述也存在一些困难。

广义相对论是一种非常重要的物理学理论，它成功地解释了很多重要的现象，为现代物理学做出了巨大的贡献。

然而，它仍然需要进一步的发展和完善，以更好地解释我们观测到的自然现象。

简介广义相对论是阿尔伯特-爱因斯坦在1915年提出的一种重力理论。

它是现代物理学的一个基本组成部分，它解释了引力是如何在大范围内发挥作用的。

广义相对论已被用来解释许多现象，如宇宙的膨胀和大质量物体周围的光线弯曲。

在这篇文章中，我将对广义相对论及其影响进行简单解释。

什么是广义相对论？广义相对论是一种解释引力如何在大范围内发挥作用的理论。

它指出，引力是由时空的曲率引起的，时空是构成宇宙的四维结构。

根据广义相对论，像恒星和行星这样的大质量物体会导致时空围绕它们弯曲，产生我们所感知的重力。

这意味着空间中的物体不仅受到自身引力的影响，而且还受到附近其他物体的引力影响。

狭义相对论在爱因斯坦提出广义相对论之前，他提出了另一个理论，叫做狭义相对论。

这一理论指出，时间和空间是相对的；它们可以根据观察者的参照系而被扭曲。

例如，两个以不同速度运动的观察者对时间的体验是不同的；一个观察者可能比另一个观察者体验到的时间流逝更快。

狭义相对论还指出，没有什么能比光速更快；这意味着光在所有参照系中都有一个绝对的速度限制。

广义相对论和引力广义相对论建立在狭义相对论的基础上，解释了引力在大范围内的作用。

根据广义相对论，像恒星和行星这样的大质量物体会导致时空在它们周围弯曲，产生我们所感知的引力。

这意味着空间中的物体不仅受到自身引力的影响，还受到附近其他物体引力的影响；例如，地球围绕太阳的轨道是由于地球自身的引力和太阳的引力共同作用于地球的时空路径。

除了解释引力如何在大范围内发挥作用，广义相对论还解释了为什么它的行为与自然界的其他力量（如电磁力）不同。

大多数力在任何距离上都是瞬时作用的（例如，电的传播速度几乎是光速），而引力的作用要慢得多；由于它对时空的弯曲，它的影响在长距离上需要时间来感受。

广义相对论的含义广义相对论已被用来解释我们宇宙中的许多现象，如黑洞和中子星；这些区域的物质被压缩得如此密集，以至于产生了强烈的引力场，使时空扭曲，甚至连光都无法从其中逃脱（这种现象被称为"引力透镜"）。

广义相对论的定义广义相对论是爱因斯坦于1915年提出的一种物理理论，用于描述引力现象的理论。

它是狭义相对论的推广，扩展了狭义相对论的适用范围，包括了引力现象的描述。

广义相对论的核心思想是：空间和时间不再是绝对的，而是和物质和能量的分布有关。

物体的质量和能量会扭曲周围的时空结构，使得物体在重力场中运动。

换句话说，广义相对论将引力解释为时空的弯曲效应。

广义相对论还提出了著名的“等效原理”，即任何在加速状态下的观测者无法通过实验来区分是否处于重力场中。

这意味着重力和加速度是等价的，也就是说，我们感受到的地球引力其实就是地球在加速运动。

通过广义相对论，我们可以解释许多关于引力的现象，例如行星轨道、星体弯曲光线、时间的延缓等。

其中最有名的实验证据是1919年的日食观测，观测结果证实了太阳在背后的星系光线被太阳引力弯曲的现象，从而验证了广义相对论的预测。

广义相对论的数学描述是由爱因斯坦场方程给出的，它描述了时空的几何结构和物质的分布之间的关系。

这个方程是一个十分复杂的偏微分方程，解它需要借助高级数学工具，因此广义相对论的研究需要深厚的数学基础。

广义相对论不仅仅是一种理论，它也是一种革命性的思维方式。

相对论的提出打破了牛顿力学的框架，改变了我们对时空、引力的认识。

广义相对论的成功还引发了对宇宙大尺度结构和宇宙演化的研究，推动了天体物理学的发展。

然而，广义相对论也面临着一些问题和挑战。

其中之一是黑洞的性质和行为。

广义相对论预测了黑洞的存在，但黑洞的内部结构和信息丢失等问题仍然存在争议。

此外，广义相对论还无法与量子力学完全统一，物理学家们一直在寻求一种统一的理论，来解释微观世界和宏观世界的行为。

广义相对论是描述引力现象的理论，它将引力解释为时空几何的效应。

它的提出不仅改变了我们对时空和引力的认识，也推动了天体物理学的发展。

尽管广义相对论还存在一些未解决的问题，但它仍然是现代物理学中不可或缺的一部分，对我们理解宇宙的本质起着重要的作用。

广义相对论通俗解释一、什么是广义相对论(一)什么是相对性呢?所谓相对，意思是说：同类事物之间以及同类事物的各个部分之间在一定条件下有互相转化的可能性。

例如：夏天温度高，冬天温度低;四季交替的现象，物质的熔点、沸点等。

(二)物理学上把人眼所见的东西称为视觉，也就是说人的感官所接受到的光信号必须经过大脑的处理才成为人的知觉，即光信号——电信号——神经信号，这是一种典型的“线性感觉”，其缺点就是易于疲劳、不能同时显示微小的变化。

然而，人的思维活动又必须依赖于人的视觉功能，所以人们期望出现一种新的技术手段来弥补人们感官的不足，于是，新的媒介应运而生了。

人们惊奇地发现，原来这个世界还有另外一种光——电磁波!对这种光的统一命名为“电磁波”。

后来，人们为了区别于“看得见的光”，于是用了一个新的名词——“电磁波”来代替它，意思是人们对这种光有了更深刻的认识。

(三)那么“相对论”是研究什么的呢?“相对论”就是对这种“电磁波”进行研究的科学理论，换句话说，相对论研究的就是人们眼睛看不见的“电磁波”的规律。

它指出，人们看不见的“电磁波”实际上是一种人们看得见的但是人们以前没有发现的一种“非光”的波——引力波。

如果我们不用“正确”这个词的话，那么相对论和量子力学是一回事，从相对论里推导出来的公式就等于量子力学中的公式。

同样，根据量子力学的观点，测量不确定度等于零时，理论也就是正确的。

也就是说，对于牛顿力学来说，理论永远都是正确的，而对于量子力学来说，理论只有在绝对精确的状态下才是正确的，因此，可以说测量的结果不确定度等于零，对于牛顿力学来说，它永远都是正确的，而对于量子力学来说，它则是不正确的。

什么叫做时间相对性呢？简单地说，就是不管你是谁，不管你是什么东西，甚至连整个宇宙都不会以你为中心运动的，在某种意义上，时间相对性并不是因为事物本身运动造成的，而是因为人的存在造成的。

也就是说，没有人，就没有时间相对性。

因此，说相对论也研究时间的话，那是很荒唐的。

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论 ，描述了引力是由物质引起的时空弯 曲所产生。
爱因斯坦的灵感来源
爱因斯坦受到马赫原理、麦克斯韦电 磁理论和黎曼几何的启发，开始思考 引力与几何之间的关系。
广义相对论的基本假设
1 2
等效原理
在小区域内，不能通过任何实验区分均匀引力场 和加速参照系。
广义协变原理
物理定律在任何参照系中都保持形式不变，即具 有广义协变性。
研究暗物质与暗能量的性质有助于深入理 解宇宙的演化历史和终极命运。
05
广义相对论的未来发展
超弦理论与量子引力
超弦理论
超弦理论是一种尝试将引力与量子力学统一的理论框架，它认为基本粒子是一 维的弦，而不是传统的点粒子。超弦理论在数学上非常优美，但目前还没有被 实验证实。
量子引力
量子引力理论试图用量子力学的方法描述引力，解决广义相对论与量子力学之 间的不兼容问题。目前，量子引力理论仍在发展阶段，尚未有成熟的理论框架 。
广义相对论为宇宙学提供了重 要的理论基础，用于描述宇宙
的起源、演化和终极命运。
大爆炸理论
广义相对论解释了大爆炸理论 ，即宇宙从一个极度高温和高 密度的状态开始膨胀和冷却的 过程。
黑洞理论
广义相对论预测了黑洞的存在 ，这是一种极度引力集中的天 体，能够吞噬一切周围的物质 和光线。
宇宙常数
广义相对论引入了宇宙常数来 描述空间中均匀分布的真空能
宇宙加速膨胀与暗能量研究
宇宙加速膨胀
通过对宇宙微波背景辐射和星系分布的研究，科学家发现宇 宙正在加速膨胀。这需要进一步研究以理解其中的原因，以 及暗能量的性质和作用。
暗能量
暗能量是一种假设的物质，被认为是宇宙加速膨胀的原因。 需要进一步研究暗能量的性质和作用机制，以更好地理解宇 宙的演化。

物理学中的广义相对论是一门深奥的学科，它被认为是爱因斯坦最伟大的贡献之一。

广义相对论是现代物理学的基础，它解释了大量的天文现象，也是现代技术和工程领域中最成功的实验室验证理论之一。

广义相对论是对爱因斯坦狭义相对论的一次完善，也是量子力学相对独立的基础。

与狭义相对论相比，广义相对论更加完整，范围更广。

广义相对论认为，引力是一种由物质引起的时空的扭曲现象，物体之间的引力作用是由于物体所在时空的曲率引起的。

广义相对论最初的想法可以追溯到19世纪末，当时物理学家开始探讨光的速度是否是恒定不变的，在这个过程中，现代相对论的雏形产生了。

1905年，爱因斯坦出版了《狭义相对论》一书，其中他提出了质量和能量是等价的概念，这导致了不同类型的基本粒子之间的联系，这也引入了著名的等价原理，即质量和重力是等价的，因为观测到重力的物理现象实际上是物体在曲率的时空中沿直线运动所呈现出来的结果。

广义相对论在其形成初期经常被称为爱因斯坦场论，这个理论提出了一个基本的假设，即重力是因为广义相对论规定的物质和能量间产生的时空弯曲而产生的，而这种弯曲可以通过狄拉克极限的方程来定义。

这个假设可以通过重力波的检测来验证。

广义相对论的最重要的创新之一，是对于从形而上学角度来讲的时间和空间的相对性的重新定义，它的思想是：时空的形成是通过物体质量的弯曲而形成的，也就是说，时空并不是一个静态的概念，而是随物体质量所引起弯曲的变化而不断变化的。

至今为止，广义相对论已被运用于许多实验探索和应用领域中。

其中最有名的包括 GPS导航系统的运行、天文学的研究等。

物理学家们也在尝试直接观测重力波，这将是一个极其重要的突破，有助于加深我们对于宇宙万物的理解。

广义相对论的推断并不是站在推论和实验的结晶之间，它可以看做是一种最基本的规律，是理解星系和星体本质的必备法则。

广义相对论的理论基础正在被科学家不断推陈出新，这些新的发现或将发挥巨大的作用，帮助科学家更好地认知宇宙。

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。

这也就解释了为什么水星的轨道飘忽不定.广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1915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广义相对论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。

北京时间2015年9月14日17点50分45秒，激光干涉仪引力波天文台（以下简称LIGO）分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿（Livingston）和华盛顿州的汉福德（Hanford ）的两个的探测器，观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件：GW150914。

爱因斯坦提出：引力不同于其它种类的力， 爱因斯坦提出：引力不同于其它种类的力， 事实的后果。 它只不过是时空不平坦的这一 事实的后果。 物体并非由于称为引力的力而沿弯曲轨道运动， 物体并非由于称为引力的力而沿弯曲轨道运动， 而是沿着弯曲空间中最接近直线的称之为测地线 而是沿着弯曲空间中最接近直线的称之为测地线 的轨迹运动。 的轨迹运动。
才可能形成黑洞， 质量 M > (2 ∼ 3) M⊙时，才可能形成黑洞， 此时rs ∼ 10 km 。
9
地球的 rs
恒星演化的晚期， 恒星演化的晚期，其核心部分经过核反应 T ∼ 6×109K， 各类中微子过程都能够发生， × ， 各类中微子过程都能够发生， 中微子将核心区的能量迅速带走→ 中微子将核心区的能量迅速带走 →引力坍缩 → 强冲击波 → 外层物质抛射或超新星爆发 白矮星、中子星、黑洞） → 致密天体（白矮星、中子星、黑洞） 4.引力波 引力波 广义相对论预言了引力波的存在。 广义相对论预言了引力波的存在。 加速的物体系，会引起周围时空性质变化， 加速的物体系，会引起周围时空性质变化， 并以波动（引力波）的形式向外传播。 并以波动（引力波）的形式向外传播。
太阳
ห้องสมุดไป่ตู้
•
·
水 若再考虑空间弯曲，得到： 星 若再考虑空间弯曲，得到：
附加
= 5557.62′′ / 100年 ， 实测 = 5600.73′′ / 100年
牛
= 43 .0 3′′ / 100 年 ，
Ω 牛+ Ω 附加=5600.65′′ ′′/100年 ′′ 年
相符得非常好。 理论值Ω 牛+ Ω 附加和观测值 Ω 相符得非常好。 这是对广义相对论的重大验证之一。 这是对广义相对论的重大验证之一。

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。

典例精析 广义相对论的几个结论
解析 根据爱因斯坦的广义相对论可知，光线在太阳 引力场作用下发生了弯曲，所以可以在适当的时候(如 日全食时)通过仪器观察到太阳后面的恒星，故C正确， A、B、D均错. 答案 C
12
1.(广义相对论的几个结论)在引力可以忽略的空间有一 艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于飞船的 运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是( A)D A.船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的 B.船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的 C.航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的 D.航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的
kg
≈2.69×10－30 kg.
1234
由m＝
m0 1－v2/c2
得
v＝c 1－m20/m2 ≈0.94c＝2.82×108 m/s.
答案 2.69×10－30 kg 2.82×108 m/s
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Байду номын сангаас
广义相对论简介
2.宇航员能否根据“小球的加速下落”判断飞船是静止 在一个引力场中，还是正处在一个没有引力场而正加速 上升的过程中？ 答案 不能.
广义相对论简介
要点提炼
1.广义相对论的基本原理 (1)广义相对性原理：在 任何参考系 中，物理规律都是 相同的. (2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做 匀加速运动 的参考系等价.
15.4 广义相对论简介
学习目标定位
1.了解广义相对论的基本原理. 2.初步了解广义相对论的几个主要结论以及主要观测 证据.
广义相对论简介
问题设计
1.在一个全封闭的宇宙飞船中，若飞船静止，宇航员将 一小球自由释放，小球将怎样运动？假如没有引力场， 飞船加速上升，宇航员将小球自由释放，小球相对飞船 会怎样运动？ 答案 小球都是以某一加速度落向舱底.

详细描述
等效原理表明，在任何小的时空区域内，我们无法通过任何可预见的实验区分均匀引力场和加速参照系。这意味 着在局部范围内，我们无法区分引力和加速参照系引起的效应。这一原理在广义相对论中扮演着重要的角色，为 引力场的描述和性质提供了基础。
广义协变原理
总结词
广义协变原理是广义相对论的另一个基本原理，它要求物理定律在任何参照系中 都保持形式不变。
05
广义相对论的应用
黑洞与宇宙学
黑洞的形成与演化
广义相对论预测了黑洞的存在，并描 述了其形成和演化的过程，如恒星坍 缩、吸积盘等。
宇宙学模型
广义相对论为宇宙学提供了理论基础 ，如大爆炸理论、宇宙膨胀等，解释 了宇宙起源和演化的过程。
Байду номын сангаас 宇宙的起源与演化
宇宙起源
广义相对论提供了宇宙起源的理论框 架，解释了宇宙从大爆炸开始的一系 列演化过程。
牛顿力学与狭义相对 论无法同时成立，需 要一种新的理论来统 一。
狭义相对论解决了牛 顿力学在高速领域的 矛盾，但无法解释引 力问题。
爱因斯坦与广义相对论的创立
爱因斯坦受到物理学家马赫的 启发，开始探索引力问题。
爱因斯坦提出了等效原理和光 速不变原理，作为广义相对论 的基本假设。
广义相对论成功地解释了引力 作用，并将其与空间-时间结构 联系起来。
暗物质与暗能量的研究
深入探索暗物质和暗能量的本质，揭示它们在宇宙中的 作用和相互关系，进一步完善宇宙学模型。
预测了更为精确的进动值。
光线在引力场中的弯曲
要点一
总结词
光线在引力场中的弯曲是广义相对论的另一个重要实验验 证，它证实了爱因斯坦关于引力透镜的预测。
要点二
详细描述

广义相对论全文介绍广义相对论是由爱因斯坦于1915年提出的一种描述引力的理论。

它是与牛顿引力理论相对立的一种物理学理论，通过重新定义了引力的本质，提供了一种更加准确的描述自然界中引力现象的方式。

广义相对论在宇宙学、黑洞研究以及引力波探测等领域起着重要的作用。

本文将对广义相对论的基本原理、数学形式和相关实验验证进行全面的探讨。

基本原理广义相对论的基本原理可以总结为以下几点：1.等效原理：等效原理指出，在引力场中的质点自由下落的过程中，其运动状态与在没有引力场中匀速直线运动的状态是等效的。

也就是说，引力场中的物体运动状态是由空间的弯曲决定的。

2.弯曲时空：广义相对论认为，质量和能量会弯曲时空，形成引力场。

这种弯曲是由物质的分布和运动引起的，被称为时空的曲率。

3.弯曲路径：在弯曲时空中，物体沿着一条路径运动时，会呈现出弯曲的轨迹。

这条路径被称为测地线，描述了物体在引力场中的运动轨迹。

4.引力是几何效应：广义相对论认为，引力不是通过作用力进行传递的，而是通过时空的几何效应产生的。

物体在弯曲时空中自由运动，看起来就像是受到了引力的作用。

数学形式广义相对论使用了爱因斯坦场方程来描述引力场的性质。

爱因斯坦场方程的数学形式如下：R_{\mu\nu} - \frac{1}{2} g_{\mu\nu} R = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}其中，R_{\mu\nu}是时空的曲率张量，g_{\mu\nu}是时空的度规张量，R是时空的标量曲率，G是引力常数，c是光速。

T_{\mu\nu}是物质能量动量张量，描述了物质对时空的影响。

爱因斯坦场方程可以通过求解时空的度规张量来得到。

求解爱因斯坦场方程是一个非线性的偏微分方程问题，需要借助于数值方法来进行求解。

目前的研究主要集中在通过数值模拟来研究引力场的性质和时空的演化过程。

实验验证广义相对论的预言已经得到了多个实验的验证。

下面列举一些重要的实验验证结果：1.光线偏转：1919年，爱因斯坦的广义相对论的一项重要预言，在太阳附近的背景星星上观测到了太阳光的弯曲。

爱因斯坦xx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。

名词解释广义相对论广义相对论，又称作相对论或广义相对性，是现代物理学的基础理论，被广泛地应用到物理、天文、化学和其他自然科学领域。

它最初是由德国科学家阿尔伯特爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年发明的，他用它来改变了人们对现代物理学涉及的时空、力学和能量的理解。

广义相对论提出了关于物体的运动的新的和完整的理论，克服了物理学中的传统观念，即拉里-乔治定律（Lagrange-George Law），它认为宇宙中的所有物体都根据固定的物理规律运动。

阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论以爱因斯坦的“特殊相对论”为基础，它提出了宇宙构成物质的方式和解释物理实体之间的关系。

它把物质概念改变成四个维度：时间、空间、质量和能量。

它直接驳斥了基本的物理学观，即物质和空间是分离的，物质是固定不变的，而且空间也是如此。

爱因斯坦提出，由于物体重力场、电磁场和空间弯曲，物质和时间影响彼此，从而形成一个空间时间的交织构成。

例如，重力场的影响使物体运动受到改变，电磁场的影响使物体在空间改变，而空间弯曲使物体穿越空间的距离变短。

因此，这种物质与时间的关系被称为“时间维度”，它是广义相对论的一个基本概念。

此外，广义相对论还提出了关于物理实体能量和质量之间关系的基本概念，即大能量系统的质量增加而能量减少。

换句话说，高质量物质会产生小能量，而低质量物质会产生大能量。

由于质量增加了，物体的重力也会增加，并影响物体的空间运动。

广义相对论的概念还被引申到宇宙学领域，提出宇宙的演化过程也受到物质和能量的影响。

因此，根据广义相对论，宇宙是有限的，宇宙的演变是一个复杂的过程，由物质和能量的相互作用来驱动。

总之，广义相对论提出了一种新的物理学观，改变了人们对物质和时空的理解，改变了宇宙的演变模式，从而为现代物理学和宇宙学提供了坚实的理论基础。