广义相对论与引力理论

广义相对论基础

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

引力波的发现历程

引力波的发现历程 班级：12级物理一班 姓名：陈昊昱 学号：1207020008 摘要：引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。 关键字：引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波 一、引力波初期探索 牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。 其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。 这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。 根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。 在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛

顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。 虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜 爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。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。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”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，这是广义相对论的一项重要预言。 二、引力波检测的开拓者 爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。 爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。 当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引

狭义相对论和广义相对论

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。

光的干涉及其应用

光的干涉及其与应用 （作者：赵迪） 摘要我们通过对光的干涉本质、种类及其各种应用做了一定的查阅与思考，汇总成为该文章。中文中重点介绍的是，光的干涉在日常生活中、普通物理实验中的应用以及在天文学方面的发展和应用，由于文章内容和字数的限制，我们不能对所有提到的应用做出详细的表述，仅取其中的几个例子进行具体的介绍。 关键词光的干涉等倾干涉等厚干涉照相技术天文学 1 绪论 我们知道在光学的发展史上，“光的本质”这个问题进行了将近4个世纪的争论，直到爱因斯坦提出“波粒二象性”才将这个问题的争论暂时告一段落，本文所提到的的光的干涉现象就是这段精彩历史上不可磨灭的一部分。 1801年的英国由托马斯·杨设计的杨氏双缝干涉实验使得“微粒说”近乎土崩瓦解，并强有力的支持了“波动说”。1811年，阿拉格首先研究了偏振光的干涉现象。现代生活中，光的干涉已经广泛的用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自控等许多领域。 虽然“波粒二象性”已经作为主流说法，终结了这个问题的争论，但是对于现代生活来说，光的干涉及其理论所带来的影响却是不可或缺的。我们将在本文中简单介绍一下光的干涉在日常生活中、普通物理实验中的应用以及在天文学方面的发展和应用。 2 光的干涉现象与产生 2.1 现象简介 干涉，指满足一定条件的两列相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的震动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有着稳定的空间分布，而忽略时间的影响。

图2-1 复色光的干涉图样 由于光也具有波动性，因此，光也可以产生干涉现象，称为光的干涉。光的干涉通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间的条纹或圆环的分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随空间改变时，某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替变化。 2.2 产生条件 2.2.1 主要条件 两列波的产生干涉的条件是：两列光波频率一致、相位差恒定、振动方向一致的相干光源才能产生光的干涉。 由于两个普通独立的光源发出的光不可能具有相同的频率，更不可能存在更不可能存在固定的相位差，因此，不可能产生干涉现象。 图2-2 单色光的干涉图样 2.2.2 补充条件 由于干涉图样的效果会受到称比度的影响，因此，两列相干波还须满足三个补充条件：①参与叠加的两束光光强不能相差太大；②参与叠加的两束光振动的夹角越小越好，虽然理论上小于2 即可产生叠加，但是对比度效果不好，即最好接近平行；③光程差不能相差太大。

广义相对论的理解

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

量子测量,弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用

量子测量，弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用 2016年,美国激光干涉引力波天文台发文宣称利用千米量级引力波探测仪 首次探测到13亿光年外双黑洞并合产生的引力波,证实了一百年前爱因斯坦关 于引力波的预言。这是一个注定载入科学史的历史性时刻,在伽利略首次使用光学望远镜观测宇宙的四百年后,人类再次拥有观测宇宙的新窗口。如果对于电磁波的探测使得人类看到了绚丽多彩的宇宙,那么对于引力波的探测将使我们听到来自宇宙深处的天籁之音。迄今为止,LIGO和VIRGO科学共同体已经发布了 6 次引力波事件,其中前5起均为双黑洞并合产生的引力波,而最引人瞩目的第6 次引力波事件来源于双中子星旋近过程,其光学对应体被全球几十家天文学机构观测到,标志着多信使天文学的正式开端。 引力波探测仪的核心是一台“魔改”版迈克尔逊干涉仪,大量高精尖技术的使用使得探测仪的探测灵敏度在探测窗口内高到可以探测到质子半径万分之一 的长度变化,令人叹为观止。尽管如此,由于引力波极其微弱,现有引力波探测仪的探测灵敏度仍然需要被进一步提高以满足未来引力波天文学研究的需要。目前提高探测灵敏度的方法主要聚焦于技术升级和建造更长臂长的探测仪。一个有趣和重要的问题是,不同于现有的技术路线,我们是否有可能找到一种基于不同运 行原理的新型引力波探测仪?量子测量理论的最新进展,特别是关于量子弱测量 的研究提供了这种可能性。 量子弱测量理论由Aharonov,Albert和Vaidman于1988年首次提出,其基本框架是系统与指针弱耦合后再对系统进行后选择,通过测量指针获取系统的信息。由于量子弱测量在诸如解决量子悖论,直接量子态重构,特别是信号放大等方面 的应用,使其成为近十年来的研究热点。在本论文中,我们首先解决了在量子弱测量框架内实现普适的极小相位信号放大的困难并给出了具体的光学实现构型,在此基础上,通过引入光学腔,我们正式提出并设计了以弱测量放大为基础的新型 激光干涉引力波探测仪WMAGO。详细的量子噪声谱计算表明,WMAGO在较高频段有潜力比现有的引力波探测仪如LIGO等拥有更低的量子噪声,这意味着对于以量 子噪声为主要噪声的引力波探测仪,WMAGO可以在较高频段拥有更好的探测灵敏 度以及更大的带宽。 本博士论文包含的研究结果有以下几个方面:1:基于只有可观测量的本征态

广义相对论简介

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

浅析潮汐原理及其应用

浅析潮汐原理及其应用 潮汐是地球上普遍存在的一种自然现象，它是在太阳、月亮引潮力的作用下，在地球的岩石圈、大气圈和水圈中分别产生的周期性运动，故潮汐包含固体潮汐、大气潮汐和海洋潮汐三种形式。本文将针对表现形式最明显也是我们最常见的海洋潮汐（以下简称潮汐）进行讨论，重点介绍了什么是潮汐，潮汐形成的原理是什么，以及潮汐在我们生产生活中有那些应用。 标签：潮汐潮型周期性引潮力潮汐能灾害预警 前言 物理是研究世间万物规律的一门学科，在我们生活中有许多神奇的物理现象，有些现象即便经常见，但不经过学习我们很难把握这些现象发生的真正原因。常年在海边生活的人们都会看到海水有一种周期性的涨落现象，中国古时为了解释这种现象，给其赋予了很多神话色彩，认为存在海神每天操控海水的起落，潮水大的话就认为是海神发怒造成的。现今我们通过学习已经认识到海水的涨落是一种自然现象，而且我们也已经开始利用这种自然现象来造福人类，但究竟潮汐形成的原因是什么，其有什么规律，还是有很多人并不了解。 一、什么是潮汐 我国古书上有说：“大海之水，朝生为潮，夕生为汐。”故中国人称海水早上上涨为潮，晚上上涨为汐，合称为潮汐。各地潮汐的时刻、持续时间、大小均不相同，但大致上可分为三种类型：半日潮型：一昼夜内（一个太阴日）出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差和后一次高潮和低潮的潮差几乎相等，约等于6小时12.5分钟，我国东海、黄海、渤海沿海多数地点便属于这种潮型，如青岛、厦门等地；全日潮型：一昼夜内只有一次高潮和一次低潮，高潮和低潮之间的时间差约为12小时25分，我国南海地区有这种潮型，其中南海的北部湾是世界上最典型的全日潮海区；混合潮型：混合潮是正规半日潮和全日潮之间的过渡潮型，一般又分为“不正规半日潮”和“不正规全日潮”，表现为一个月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但较半日潮型潮差较大，有些日子出现一次高潮和一次低潮，但较全日潮型潮差较小，我国南海海区多数地区为这种潮型。 二、潮汐形成的原理 潮汐是由于太阳、月球和地球相对位置的不断改变及地球自转在一昼夜中地表各处受太阳、月球引力和合力不断改变，导致海水周期性涨落的现象[1]，导致海水涨落的这种合力我们也称之为引潮力。牛顿的万有引力定律表明：引力的大小与两个物体的乘积成正比，和两个物体之间的距离成反比，在不考虑其他星球的微弱作用力的情况下，月球和太阳对海洋的引潮力的作用是引起海水周期性涨落的原因，其中月球的作用约是太阳作用的两倍。我们先来说说月球的作用[2]，在离月球最近的地面上的物体，绕地、月共同质心（月球绕地球运动，可

引力波 论文

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

广义相对论

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，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论的理论基础。 相关简介 相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理。即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。

曾育盼_广义相对论与宇宙学学习感想

《广义相对论与宇宙学》学习感想 粒子物理：曾育盼16212299 我导师是研究暗物质理论的张宏浩老师，也是《广义相对论与宇宙学》任课老师。在学这门课前我学过一点广义相对论的皮毛，学完之后感觉受益匪浅，下面我将谈谈我的学习感想。 我们知道广义相对论是狭义相对论的推广，它将狭义相对论从惯性系推广到了非惯性系，从平直空间推广到了弯曲时间。而我也了解到量子场论是狭义相对论与量子力学的结合，老想着统一量子力学与相对论的我某一天学广义相对论时突然想到：度规可以描述时空的弯曲，量子场论中也有度规，那把弯曲时空的度规代入不就得到了弯曲时空的狭义相对论与量子力学了吗？这不就是广义相对论与量子力学的结合吗？虽然挺激动，但是隐隐觉得不会这么简单。在第一节《广义相对论与宇宙学》课后，我向张老师请教这个问题，张老师说：对呀，这就是弯曲时空的量子场论。我说：那这不就是广义相对论与量子力学的结合吗？老师说：但是这是半经典的，引力并没有量子化。一语点醒梦中人。我想起了玻尔的半经典氢原子模型，虽然是半经典的，但是物理发展上也起了重要作用。也许这种半经典的理论也会打开一条新道路。昨天去听施郁老师的讲座，他提了一下弯曲时空的量子场论是半经典。我突然想：广义相对论和量子力学是不可调和，但是似乎人们默认量子力学是正确，广义相对论需要被修改（量子化），也许结果是量子力学需要被“相对化”呢！ 除了教书育人，张老师还邀请知名学者梁灿彬与戴自海老师来课

上给我们做讲座。梁老师的讲座涉及黑洞、虫洞、多维时空。其中四维立方体的循序渐进的推演令人印象深刻。还有关于穿越的过程，并不是像我开始想的那样是从虫洞的洞里穿过的，而是沿着洞壁穿过的。我们平常看到虫洞的图，只有那个面（压缩掉一维）才是我们的活动区域。而额外维也是一个神奇的东西。戴老师讲了宇宙的起源。其中的暗能量令我印象深刻。我问他暗能量用什么来描述，老师说就是爱因斯坦的宇宙常数。我震惊于这么复杂的东西原来只是用这么简洁的常数来描写。 之前我也看过爱因斯坦场方程。也知道由它引出了宇宙学这样一门学问。而宇宙看起来这么纷繁复杂，让人觉得宇宙学也必定是一门纷繁复杂的学问。那么由场方程推出宇宙学方程的过程应该也是复杂的。但是看过张老师在《广义相对论与宇宙学》课上的推导，我才发现原来宇宙学并没有那么复杂。宇宙学方程甚至看起来有点简洁优美。 而从场方程推出水星进动、引力波、黑洞等也没有想象中的那么复杂。一个方程可以导出这么多有趣现象，充分说明了广义相对论的强大。 总结：张老师的《广义相对论与宇宙学》课轻松幽默，收获多多：学到了知识，解决了疑惑，还更新了一些观念。当然，由于我个人的懒惰与后期重心放到了量子场论上，对于广义相对论的学习并不是很深入，希望之后的学习可以对广义相对论与宇宙有进一步的了解。

相对论

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

相对论与量子力学的矛盾问题

论多维空间中量子力学与相对论的矛盾问题 阿尔伯特·爱因斯坦一生发现了很多东西，最重要的是提出了量子力学和广义的相对论。广义相对论代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平，在天体物理学中有着非常重要的应用，还提出了引力和引力波的存在，是现代宇宙学膨胀宇宙论的理论基础。并且它是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。量子力学是研究原子和次原子等“量子领域”的运动规律的物理学分支学科，基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。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，或者说怎样理解这两大理论的统一？ 这个矛盾问题在科学家们提出的多维空间里有了解释。首先我们先来了解一下我们的多维空间。"维"是一种度量，在三维空间坐标上，加上时间，时空互相联系，就构成四维时空。现在科学家的理论认为整个宇宙是十一维的，只是人类的理解只能理解到三维。零维是点，一维是线，二维是面，三维是静态空间，四维是动态空间（因为有了时间）。在这个四维时间线上任何一点都有无限种发展趋势，从四维上的某一点分出无限多的时间线，构成了五维空间。五维空间上两条时间线如同二维空间（如报纸上的两个对角点）不能直接到达，而把报纸对折就可以直接到达报纸上的对角点。五维空间也可以弯曲，产生了六维空间，在六维空间中可以直接到达五维时间线上的任意一点。七维空间包括了从宇宙大爆炸开始到宇宙结束，所有空间维，所有时间维上的所有可能性，以及在任意两点直接到达的可行性。五维空间是某一点产生无限个发展趋势，七维是所有点即无限点上产生无限个时间线。，八维空间中包括了从大爆炸处产生的无限多个宇宙，这些宇宙中有不同的物理定律，不同的引力常数，或许有没有万有引力也说不定，不同的光速。九维空间则是八维空间的弯曲，在八维空间中，不到直接在各个宇宙中到达不同的两点，而九维空间中则可以在八维空间中的两点间直接到达。根据超弦理论，最小粒子不是实体的物质，而是由不同振动频率的超弦形成的物质，不同的频率产生了不同外在表现。在十维空间中，物质已经没有差别，或是已经没有物质。只存在不同振动频率的弦。在十维空间中一切皆有可能。在超弦理论的研究中，发现十维空间还有理论漏洞，新的膜理论就在超弦的线上展拓成超膜，以十一维空间来解释宇宙。 理解了宇宙的空间有更多维存在，再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的，我们就很容易理解了：这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维空间里才能得到统一。

爱因斯坦广义相对论

爱因斯坦广义相对论 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。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。 爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广

广义相对论

第一&二章 1. 设想有一光子火箭，相对于地球以速率v=0.95c 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？ 解 ：固有长度, 2. 一长为 1 m 的棒静止地放在 O ’x ’y ’平面内，在S ’系的观察者测得此棒 与O ’x ’轴成45°角，试问从 S 系的观察者来看，此棒的长度以及棒与 Ox 轴的夹角是多少？设想S ’系相对S 系的运动速度 4.68m l ==

第三章 1.简述狭义相对论与广义相对论的基本原理。P9、15、2* ①狭义相对论：所有的基本物理规律都在任一惯性系中具有相同的形式。这就叫狭义相对性原理。 相对性原理：一切惯性参照系等效，即物理规律在所有的惯性系中都具有完全相同的形式。 光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。 ②广义相对论：一切参照系都是平权的。或者说，客观的物理规律应在任意坐标变换下保持形式不变。 等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。 广义相对性原理：一切参考系都是平权的或客观的真实的物理规律应该在任意坐标变换下形式不变，即广义协变性。 2.什么是广义相对论的等效原理？强等效原理与弱等效原理有何区别？ 等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。 3.在牛顿力学中是否能够定义惯性参照系？什么是局部惯性系？P12、29 引力与惯性力有何异同？ 定义不同：惯性力的度量是惯性质量写为F=ma，而引力的度量是引力质量， 由万有引力定律写成 (1)(2) 2 g g m m F G r ，从物理本质上是不同的。 相同：二者的实验量值是相等的，根据等效原理引力与惯性力的任何物理效果都是等效的 4.弯曲时空是用什么几何量来描述的？什么是引力场的几何化？P35 处于形变的四维时空区域，从物理上说可以认为是有引力存在的时空区域。所以，表示时空弯曲的几何量，同时也表示了引力场的状态。 引力场中的物理问题便等价于弯曲时空的几何问题，这种看法就称为引力场的几何化。 5.如何利用等效原理说明引力场中光线弯曲与谱线的红向偏移?

广义相对论

目录 概况 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，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论的理论基础。 目录 相关简介 相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理。即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。 广义相对论 爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量. 广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。

广义相对论的思想起源

广义相对论的思想起源 在狭义相对论中，自然定律在所有的惯性系中都保持着不变的形式。然而，这种理论却依然留下了两个疑难：l）引力定律不能被纳人狭义相对论的体系之中；2）惯性系不是宇宙中的真实存在。这两大疑难被爱因斯坦描述为狭义相对论“固有的认识论上的缺陷”。毫无疑问，这些缺陷构成了广义相对论的“科学问题”。 第一节马赫和马赫原理 尽管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。它们在自然界中确立了“特权阶级”。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。广义相对论阐明了这种“特权”的局限性。 经常有人说，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。的确，广义相对论是现代引力理论。如果不是日常计算实践的需要的话，在原理上它已经取代了牛顿的引力理论。不过，有一点很清楚，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（但也不怎么满意）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（Ernst Mach，1836～1916）的思想。 爱因斯坦说：“事实是，马赫曾经以其历史的批判的著作①对我们这一代自然科学家起过巨大的影响，在这些著作中，他以深切的感情注意各门科学的成长，追踪这些领域中起开创作用的研究工作者，一直到他们的内心深处。我甚至相信，那些自命为马赫的反对派的人，可以说几乎不知道他们曾经如同吸取他们母亲的乳汁那样吮吸了多少马赫的思维方式。” “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体馍和马赫那里受到莫大的启发。” 也许可以公正地反过来说，马赫应该感谢爱因斯坦，正是爱因斯坦对惯性的思索、研究并赋之以相对性观念，才使得马赫的科学思想和哲学思维方法大放异彩。 马赫（Ernst Mach，1838～1916）是斯洛伐克物理学家、生理学家、心理学家和哲学家。②他14岁才上学，也许是世界著名科学家中人学年龄最大的一个。他的启蒙老师就是他的父亲。1860年，马赫获得维也纳大学的博士学位，然后又在这所大学执教4年。他的第一篇论文是以实验支持多普勒定律。这篇文章反映了马赫坚持传统的物理学观点的倾向。他完全接受了物质的原子性分子理论和气体运动论。1864年，他移居到格拉兹（Graz）。从此，他的研究兴趣转向关于感觉的心理学和生理学。在格拉兹，他发现了现在称之为“马赫带”的光学现象。1867年，他在布拉格的查尔斯大学担任实验物理学教授，在超声研究方面做出了突出贡献。“马赫数”就是他的发现。马赫成为世界级的著名科学家兼哲学家，源自他的科学史和科学哲学研究。其中一项是关于知识理论的“思维经济原则”；另一项便是由爱因斯坦命名的“马赫原理”。 马赫的知识理论认为，我们所接受的是感觉，经验客体（事物、物体，物质，等等）都是感觉的符号。科学的产生，源于把相当复杂的感觉世界用最经济的方式来满足自我接受的需要。根据这些观点，马赫反对把“实体”（如原子）作为一种存在来建构理论。按照“马赫准则”，理论只能由那些可观察的现象归纳出来的命题构成；“证据”必然与经验相联系。马赫的这些认识论观点，曾经受到过科学上无知的哲学家们粗俗的谩骂，正是这些谩骂使马赫的哲学蜚声世界。 马赫原理早在17世纪贝克莱主教的著作中就已经有了萌芽。大略地讲，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。

高中物理 《广义相对论简介》教学设计 新人教版选修3-4

《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