广义相对论的简介共28页
广义相对论简介
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。
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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：
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此时rs 10 km 。
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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）
广义相对论详解
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。
广义相对论简介
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身边的相对论
GPS(全球定位系统)卫星位于距离地面大约2万千米。根 据广义相对论，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越 大，距离越近，就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质 量的影响，在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加 弯曲，这样，从地球上看，GPS卫星上的时钟就要走得比较 快，用广义相对论的公式可以计算出，每天快大约45微秒。
二、广义相对论的两个基本原理
1、广义相对性原理：在任何参考系中，物理定律的 形式都是相同的。
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。
分为弱等效原理和强等效原理， 弱等效原理认为惯性力场与引力场的动力学效应是
局部不可分辨的。 强等效原理认为，则将“动力学效应”提升到“任何物
理效应”。 要注意：等效原理仅对局部惯性系成立，对非局部
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广义相对论方程：它将引力描述为时空的扭曲。“这个方 程的右边部分描述的是宇宙中的能量(包括加速宇宙膨胀 的暗能量)，而左边的部分描述的则是时空的几何形式。 这一方程展示了爱因斯坦广义相对论的核心，那就是质 量和能量决定了几何形式和曲率，而这便是引力的实质 。” 揭示了时空与物质-能量之间的关系：“这是一个非 常优雅的方程，它揭示了事物之间的相互关系，比如太 阳的存在扭曲了时空，因此地球才会在轨道上围绕太阳 运行。它同样揭示了宇宙自大爆炸以来是如何演化的， 并预言了黑洞的存在。”
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光线在太阳附近的偏折
通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳 引力场引起的光线弯曲．
δ
太阳
由于太阳引 力场的作用，我 们有可能观测到 太阳后面的恒 星，最好的观测 时间是发生日全 食的时候．
1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行 观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实．
广义相对论简介
广义相对论简介广义相对性原理和等效原理狭义相对论认为，在不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的．爱因斯坦在此基础上又向前迈进了一大步，认为在任何参考系中（包括非惯性系）物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理．下面介绍广义相对论的另一个基本原理．假设宇宙飞船是全封闭的，宇航员和外界没有任何联系，那么他就没有任何办法来判断，使物体以某一加速度下落的力到底是引力还是惯性力．实际上，不仅是自由落体的实验，飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们，飞船到底是在加速运动，还是停泊在一个行星的表面．这里谈到的情景和本章第一节所述伽利略大船中的情景十分相似．这个事实使我们想到：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价．爱因斯坦把它作为广义相对论的第二个基本原理，这就是著名的等效原理．从这两个基本原理出发可以直接得出一些意想不到的结论．假设在引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向射入这艘飞船．船外静止的观察者当然会看到这束光是沿直线传播的，但是飞船中的观察者以飞船为参考系看到的却是另外一番情景．为了记录光束在飞船中的径迹，他在船中等距离地放置一些半透明的屏（如图），光可以透过这些屏，同时在屏上留下光点．由于飞船在前进，光到达下一屏的位置总会比到达上一展的位置更加靠近船尾．如果飞船做匀速直线运动，光在任何相邻两屏之间飞行时，飞船前进的距离都相等，飞船上的观察者看到光的径迹仍是一条直线（如图中的虚线），尽管直线的方向与船外静止观察者看到的直线方向不一样．如果飞船做匀加速直线运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线（如图中的实线）．根据等效原理，飞船中的观察者也完全可以认为飞船没有加速运动，而是在船尾方向存在一块巨大的物体，它的引力场影响了飞船内的物理过程．因此我们得出结论：物体的引力能使光线弯曲．通常物体的引力场都太弱，20世纪初只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．由于太阳引力场的作用，我们有可能看到太阳后面的恒星（如图）．但是，平时的明亮天空使我们无法观星，所以最好的时机是发生日全食的时候．1919年5月29日恰好有一次日全食，两支英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，其结果完全证实了爱因斯坦的预言．这是广义相对论的最早的验证．如图的现象表明，星球的强引力场能使它背后传来的光线会聚，这种现象叫做引力透镜效应．宇宙中很可能存在着黑洞，黑洞不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使它附近具有极强的引力场，所以引力透镜效应是探索黑洞的途径之一．时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别．我们考察一个转动的巨大圆盘（如图）．从地面上看，圆盘上除转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心．从地面上还会看到，越是靠近边缘的点，速度越大．根据狭义相对论，同一个过程，越是发生在靠近边缘的位置，这个过程所持续的时间就越长．或者说，靠近边缘位置的时间进程比较缓慢．现在再以圆盘本身为参考系研究这个现象．圆盘上的人认为，盘上存在着一个引力场，方向由盘心指向边缘．既然靠近边缘位置的时间进程比较缓慢，盘上的人就可以得出结论：在引力势较低的位置，时间进程比较慢．宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却不小，叫做矮星．矮星表面的引力很强，引力势比地球表面低得多．矮星表面的时间进程比较慢，那里的原子发光的频率比同种原子在地球上发光的频率低，看起来偏红．这个现象叫做引力红移，已经在天文观测中得到证实．现代技术也能够在地球上验证引力红移．杆的长度与引力场有关仍然考察转动的圆盘．同样的杆，放在盘上的不同位置，它们随盘运动的速度就不一样，根据狭义相对论，它们的长度也就不一样，越是靠近边缘，杆就越短．盘上的人也观察到了这种差别，不过他以圆盘为参考系，认为盘是静止的，同时他还认为盘上各点存在着指向圆盘边缘的引力，因此他得出结论：引力势越低的位置，杆的长度越短．杆的长度和引力场的分布有关，这个现象反映出这样的事实，即由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，这和我们过去的观念有很大的差别．打个比方，一块布上面的格子是整齐的（如图甲），如果用手向下压，格子就弯曲了（如图乙）．物理学借用了“弯曲”这个词，通常说，由于物质的存在，实际的空间是弯曲的．行星沿椭圆轨道绕太阳运动，有时离太阳近些，有时远些．太阳的巨大质量使它周围的空间发生弯曲，其结果是，行星每公转一周它的轨道的长轴都比上一个周期偏转一个角度，这个现象叫做行星轨道的进动．理论分析表明只有水星轨道的进动比较显著，达到约每世纪0.01°．这个现象早在广义相对论出现之前就已经发现，只是无法解释，所以它实际是广义相对论的最早的佐证．广义相对论与几何学最后，我们再次回到转动的圆盘．狭义相对论告诉我们，只有沿着运动方向的长度发生变化，垂直于运动方向的长度不会变化；如果以圆盘为参考系，就可以说，沿着引力方向的空间尺度没有变化，只有垂直于引力方向的空间尺度发生了改变．这一点具有非常深刻的意义，因为这时测量圆盘的周长和直径，它们的比值就不再是3.141 59…，而是别的值，三角形的内角和也不会是180°了……简而言之，由于实际空间是弯曲的，我们学习的几何学已经不适用了．几何学反映的是人对空间关系的认识．有史以来人们只是在比较小的空间尺度中接触到比较弱的引力场．这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际．广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何．不过，作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用．。
广义相对论通俗解释
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。
广义相对论
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。
爱因斯坦广义相对论简介
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到的度规张量定义的所在的时空几何——具体说来是时空中的长度和角度是如何被测 量的——并不是狭义相对论的闵可夫斯基度规，这种度规被概括地称作半黎曼度规或伪 黎曼度规。并且每一种黎曼度规都自然地与一种特别的联络相关联，这种联络被称作列 维-奇维塔联络；事实上这种联络能够满足爱因斯坦等效原理的要求并使得时空具有局 部的闵可夫斯基性（这是指在一个适合的局部惯性坐标系下度规是闵可夫斯基性的，其 度规的导数和连接系数即克里斯托费尔符号都为零。）[22]。总体上可以归纳为，在爱因 斯坦的理论中引力引起的时空弯曲是一种可微分流形，这种流形在局部是平直的，但整 体上可能具有非常不同的全局几何。
在洛伦兹对称性下可以引入光锥的概念（见左图），光锥构成了狭义相对论中的因果 结构：对于每一个发生在时空中的事件A，原则上有能够通过传播速度小于光速的信号 或相互作用影响到事件A或被事件A影响的一组事件（具有因果联系），例如图中的事件 B；也有一组不可能互相影响的事件（不具有因果联系），例如图中的事件C；而这些事 件间有无因果联系都与观测者无关[19]。将光锥和自由落体的世界线联系起来可以导出时 空的半黎曼度规，或至少可以得到一个正的标量因子，在数学上这是共形结构的定义[20]。
广义相对论简介
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 。
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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。
普及物理——广义相对论简介
广义相对论简介20世纪早期，自然科学中物理学开始崛起，物理学由古典物理中的经典力学发现其存在一定的局限性，19世纪末到20世纪初物理中的现代理论逐渐形成并走向成熟，其中现代力学中贡献最大的科学家无疑是德国著名物理学家——爱因斯坦，其建立了最有名的力学理论——《广义相对论》。
在广义相对论发表之后爱因斯坦曾经说过：“如果我不发现《狭义相对论》5年之内必定有人会发现，但如果我不发现《广义相对论》50年之后也不一定有人能发现！”由此可见广义相对论的难度在当时是相当高的，据说即使是现在《广义相对论》也是很难被人们普遍理解和接受的一个理论。
但这种理论实际上并不难，只是一般的人普遍缺乏一种空间想象力，由于在《广义相对论》中的内容在现实中很难观察到才导致这样一个理论很难被人们普遍接受。
如果具有一定的空间构思能力，那么对于理解《广义相对论》也就不会太困难。
等效原理：在经典力学中参考系的定义为静止、匀速直线运动、匀速圆周运动的空间可作为参考系。
由于经典力学中时间是一个不会变化的量而在相对论中时间与空间合为一体，因此不能只考虑空间而不考虑时间。
正是有了这样的一条限制导致研究相对论的人在这里停止研究。
而爱因斯坦并不这样想，之后并对其作出了两个假设假设：第一个是，如果有两个密闭的空间内分别存在两个人，其中一个空间静止、而另一个空间保持移动的速度运动，此时如果空间内的两个人与外界完全隔离，则会出现两个空间内的人都认为知己所在的空间是静止的，这时可以认为做匀速直线运动的空间参考系等效于静止的空间参考系。
第二个假设是，如果存在两个空间，一个空间静止在星球表面，重力加速度为a，另一个空间在宇宙中保持加速度为a的匀加速直线运动，如果两个空间完全封闭，则可以认为两个空间是等效的。
上述的内容称为《广义相对论》内容中的等效原理。
光线的弯曲：总所周知，如果在地球上抛出一个物体，若其运动速度达到7.9km/s，此时物体将绕着地球做圆周运动。
《广义相对论简介》课件
引力场在局域范围内可近似为牛顿引力，满足线性 叠加原理。
引力场方程的推导与表述
80%
场方程的推导
基于爱因斯坦的场方程，通过数 学推导得到引力场方程。
100%
场方程的表述
引力场方程表述了物质和能量如 何弯曲时空，进而产生引力。
80%
几何意义
引力场方程是时空曲率与物质能 量分布之间的联系。
引力场方程的解与意义
爱因斯坦对物理学基础问题的关注
爱因斯坦对物理学的基础问题产生了浓厚的兴趣，开始探索光速不变和相对性 原理背后的更深层次原理。
爱因斯坦的科研经历与思想转变
从特殊相对论到广义相对论的过渡
爱因斯坦在提出特殊相对论后，意识到其只能解释惯性参考系下的物理现象，因此开始探索引力问题，最终发展 出广义相对论。
对等效原理和最小作用量原理的应用
详细描述
1919年，爱丁顿和戴森带领的探险队在日 全食期间观测到太阳附近的星光发生偏折的 现象，与广义相对论的预测相符，证实了爱
因斯坦的理论。
水星轨道近日点的进动现象
总结词
水星轨道近日点的进动现象观测结果与牛顿经典力学预测不符，而与广义相对论的预测 一致。
详细描述
水星是太阳系中离太阳最近的行星，其轨道近日点会发生进动现象。观测数据显示，水 星轨道的进动速度比牛顿经典力学预测的要快，这一现象只有通过广义相对论才能得到
广义协变原理
总结词
该原理要求所有物理定律在任何参照系中都 保持形式不变，即具有协变性。
详细描述
广义协变原理是广义相对论的另一个重要原 理，它要求所有物理定律在不同的参照系中 保持形式不变，即具有协变性。这意味着物 理定律的形式在任何参照系中都应该是一样 的，不受参照系选择的影响。这一原理进一 步强调了物理定律的普遍性和相对性，是广 义相对论的重要基石之一。