广义相对论（广义相对论是什么意思）

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什么是广义相对论？

分类:社会/文化现当代人物

分析:

相对论

爱因斯坦的第二个相对论(1916)。根据这个理论，引力是由空-时间几何(即不仅是空中的点与点之间的距离的几何，也是空中的点与时间之间的距离的几何)的扭曲引起的，所以引力场影响了时间和距离的测量。

广义相对论:爱因斯坦的理论，认为所有的观察者(不管他们如何运动)基于科学定律必须有相同的想法。它根据四维之间的时间曲率空来解释引力。

广义相对论是爱因斯坦在1915年用几何语言建立的引力理论。它融合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，改变引力来描述物质和能量在时间上发生弯曲的时间空来代替传统的引力是一种力的观点。所以狭义相对论和万有引力定律只是特殊情况下广义相对论的特例。狭义相对论是没有重力的情况；万有引力定律就是距离近，引力小，速度慢的情况。

背景

1907年，爱因斯坦在狭义相对论中发表了引力和加速度对光的影响的论文，广义相对论的雏形开始形成。1912年，爱因斯坦又发表了一篇论文，讨论如何用几何语言描述重力场。至此，广义相对论的运动学出现了。1915年，爱因斯坦的场方程发表，整个广义相对论的动力学终于完成。

1915年以后，广义相对论的发展集中在求解场方程上，对解的物理解释和寻找可能的实验和观测也占了很大一部分。但由于场方程是非线性偏微分方程，很难求解，所以在计算机应用于科学之前，只求解了少数几个解。有三个最著名的解:史瓦西解(1916)，雷斯纳-诺德斯特姆解和克尔解。

广义相对论的观测也取得了不少进展。水星的岁差是证明广义相对论正确性的第一个证据。它是在相对论出现之前测得的，直到爱因斯坦发现了它才得到理论上的解释。在第二个实验中，爱丁顿测量了1919年非洲日食时太阳引力场引起的星光偏转，与广义相对论的预测完全一致。此时，广义相对论已经被大众和大多数物理学家广泛接受。之后有很多实验来检验广义相对论的理论，确认它的正确性。

此外，宇宙的膨胀也创造了广义相对论的另一个领域。自1922年以来，研究人员发现场方程的解将是一个膨胀的宇宙。爱因斯坦自然不相信当时的宇宙会膨胀或收缩，所以他在场方程中加入了一个宇宙常数，这样场方程就可以解出一个隐式的宇宙解。但是这个解决方案有两个问题。理论上，一个隐藏宇宙的解在诉讼中是不稳定的。另外，在观测中，1929年，哈勃发现宇宙其实是在膨胀的。这个实验结果让爱因斯坦放弃了宇宙常数，并宣称这是我一生中最大的错误。

但是根据最近对一颗超新星的观测，宇宙的膨胀正在加速。于是宇宙常数似乎有了复活的可能，宇宙中的暗能量或许可以用宇宙常数来解释。

基本假设

等效原理:重力和惯性力完全等效。

广义相对论原理:物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。

主要内容

爱因斯坦提出了“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这个原理是基于引力质量和惯性质量的等效。根据等效原理，爱因斯坦将狭义的相对性原理推广到广义的相对性原理，即物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。物体的运动方程是参考系中的测地线方程。测地线方程与物体本身的固有性质无关，只取决于时间空的局部几何性质。而引力是时间空的局部几何性质的表达。物质质量的存在会导致时间空弯曲。在弯曲时间空中，物体仍然沿最短距离运动(即沿测地线运动——在欧几里德空)，比如太阳引起的地球在弯曲时间空中的测地线运动。就像在地球表面，如果你做直线运动，实际上是绕着地球表面的大圆走。

引力是时间空的局部几何性质的表达。虽然广义相对论是爱因斯坦创立的，但其数学基础可以追溯到欧几里德几何的公理以及几个世纪以来为证明欧几里德第五公设(即平行线永远等距)所做的努力。这一努力在罗巴切夫斯基、波尔约和高斯的工作中达到高潮，他们指出欧几里得的第五公设不能被前四个公设证明。高斯的学生黎曼发展了非欧几何的一般数学理论。所以也叫黎曼几何或曲面几何。在爱因斯坦发展广义相对论之前，人们认为非欧几何不能应用于现实世界。

在广义相对论中，引力的作用是“几何上的”——即狭义相对论中Min 空背景和引力的物理图景变成了广义相对论中Riemann 空背景中自由运动的物理图景，其动力学方程与自身质量无关，变成了测地线方程。

什么是广义相对论？

广义相对论是基于现代物理学中的相对论原理，用几何语言描述的引力理论。这一理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人于1907年提出，1915年基本完成。广义相对论扩展了经典的牛顿万有引力定律和狭义相对论。在广义相对论中，引力被描述为时间空的一种几何性质(曲率)，时间空的曲率通过爱因斯坦场方程与其中物质和辐射的能量和动量有关。

广义相对论中的一些预言与经典物理中的预言有很大不同，尤其是关于时间流，空之间的几何，自由落体的运动和光的传播，比如引力场中的时间膨胀，光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言已经被迄今为止所有的观测和实验所验证。虽然它不是当今唯一描述引力的理论，但它是能与实验数据相符的最简洁的理论。但是，还有一些问题没有解决。最基本的是如何将广义相对论和量子物理学的定律统一起来，形成一个完整的自洽的量子引力理论。

爱因斯坦的广义相对论在天体物理学中有非常重要的应用。例如，它预测一些大质量恒星结束后会形成黑洞，黑洞被扭曲，使所有物质(包括光)都无法逃逸。有证据表明，恒星质量黑洞和超大质量黑洞是一些天体发出高强度辐射的直接原因，如活动星系核和微类星体。光在引力场中的偏转会形成引力透镜现象，使人们在遥远的位置观察同一天体形成的多个图像成为可能。广义相对论也预言了引力波的存在。引力波已经在2015年9月被激光干涉引力波天文台直接观测到。另外，广义相对论是现代宇宙学中膨胀宇宙模型的理论基础。

理论内容

等效原则

爱因斯坦提出了“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这个原理是基于引力质量和惯性质量的等效。根据等效原理，爱因斯坦将狭义的相对性原理推广到广义的相对性原理，即物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。物体的运动方程是参考系中的测地线方程。测地线方程与物体本身的固有性质无关，只取决于时间空的局部几何性质。而引力是时间空的局部几何性质的表达。物质质量的存在会导致时间空弯曲。在弯曲时间空中，物体仍然沿最短距离运动(即沿测地线运动——在欧几里德空)，比如太阳引起的地球在弯曲时间空中的测地线运动。就像在地球表面，如果你做直线运动，实际上是绕着地球表面的大圆走。

几何基础

引力是时间空的局部几何性质的表达。虽然广义相对论是爱因斯坦创立的，但其数学基础可以追溯到欧几里德几何的公理以及几个世纪以来为证明欧几里德第五公设(即平行线永远等距)所做的努力。这一努力在罗巴切夫斯基、波尔约和高斯的工作中达到高潮，他们指出欧几里得的第五公设不能被前四个公设证明。非欧几何的一般数学理论由高斯于1827年完成(1828年出版)。他在研究曲面的性质时，并不依赖于外空空，而是直接以曲面为研究对象，创造了曲面的“内禀”几何。1854年，高斯的学生黎曼将高斯的内禀几何推广到高维空间空空，建立了任意维弯曲的几何基础空，称为黎曼几何。在爱因斯坦发展广义相对论之前，大多数人认为非欧几何不能应用于现实世界。

爱因斯坦场方程和史瓦西解

在广义相对论中，引力的作用是“几何的”——也就是说，狭义相对论中Min 空背景和万有引力的物理图景，变成了黎曼空背景下自由运动的物理图景，其动力学方程与自身质量无关，变成了测地线方程。

重力场方程是一个非常复杂的二阶偏微分方程，有16个自变量。

具体形式如下:

重力对时间的影响可以通过上面的刻度得到。

App应用程序

广义相对论以其惊人的证实性和理论美，迅速得到人们的认可和赞赏。但是，由于牛顿的引力理论对于大多数引力现象来说已经足够精确，广义相对论只提供了非常小的修正，人们在实际中并不需要。因此，广义相对论在建立后的半个世纪里，并没有得到充分的重视和迅速的发展。20世纪60年代，情况发生了变化，强引力天体(中子星)和3K宇宙的背景辐射被发现，使得广义相对论的研究蓬勃发展。广义相对论对于研究天体的结构和演化以及宇宙的结构和演化具有重要意义。中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力和大尺度时间空的拓扑结构正在被深入研究，广义相对论成为物理研究的重要理论基础。

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什么是广义相对论？

1916年出版的《广义相对论基础》是广义相对论的“标准版”。在这里，爱因斯坦的思想已经到了炉火纯青的地步，他的文笔如同没有斧痕的流水。玻恩在1955年的一份报告中说得很好:“我过去和现在都认为，广义相对论的提出是人类对自然认识的最大成就，它出人意料地结合了哲学的禁欲、物理直觉和数学技能。”爱因斯坦在黑暗中探索，带着温暖的向往，时而信心满满，时而疲惫不堪，终于看到了光明。相对论(狭义相对论和广义相对论)的大楼已经建成。

1919年，爱因斯坦在介绍相对论时说:“相对论有点像两层楼。这两层是狭义相对论和广义相对论。狭义相对论适用于除重力以外的所有物理现象；广义相对论提供了万有引力定律及其与自然界其他力的关系。”

广义相对论又称广义相对论，有两个基本原理:等效原理，即加速度运动的参考系中的惯性力在小体积范围内等效于引力；广义相对论原理，即物理定律在所有参照系中都是一样的。

广义相对论运用了大量黎曼几何、张量计算、绝对微分等艰深的数学知识，充满了深刻的哲学思辨，包含了全新的物理内容。就算是资深研究者也要下大力气才能看懂，普通人自不待言，更别说哥廷根街头的学童了。对于爱因斯坦同时代的人来说，很少有人有这方面的知识。但由于广义相对论的预言很快被实验验证，还是引起了不小的轰动。

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