广义相对论简介
广义相对论 (einstein)
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
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：
21
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）
广义相对论简介
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。
45广义相对论简介
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
大白话解释广义相对论
大白话解释广义相对论
广义相对论是物理学上的一个理论，用来描述宇宙的结构和运动。
这个理论是由爱因斯坦提出的，他认为物体并不是在一个固定的时空背景中运动，而是与时空背景相互作用。
所以，广义相对论告诉我们物体的运动不仅取决于物体自身的性质，还取决于周围的时空结构。
广义相对论的核心思想是引力是物体在时空弯曲下的运动效果，而不是简单的物体之间的引力相互作用。
这个理论中的时空被看作是一个弯曲的四维结构，物体在其中运动时会受到引力的影响。
广义相对论还预测了一些重要的现象，比如黑洞和引力波。
黑洞是物体密度极高、引力极强的区域，它会吸引周围的物体并阻止它们逃离。
引力波是宇宙中的一种扰动，类似于声音波，它是由两个巨大物体相互运动而产生的。
这些现象的发现与研究使得广义相对论成为物理学中的重要理论。
总之，广义相对论是一种描述物体运动和引力的理论，它告诉我们物体在时空背景下的运动取决于物体自身的性质和周围的时空结构。
它的研究不仅增加了我们对宇宙的了解，还为我们开拓了新的物理学领域。
《广义相对论》课件
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。
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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。
广义相对论基础
广义相对论基础
广义相对论是物理学中的一种理论，它是阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪提出的一种理论，以描述质量和能量对于时空的影响。
它是物理学中关于引力最先进的理论，主要用于解释引力、时空、宇宙不均匀性等问题。
广义相对论建立在一个基础上，即时空是一种弯曲的四维几何结构。
广义相对论描绘了宏观物理现象及宇宙的演化。
他们最初建立的结构是弯曲的四维时空，这构成了物质和能量的粘合剂。
在这种理论下，引力不再是一种力，而是由物体之间的弯曲时空造成的物质和能量之间的相互作用。
广义相对论经过了百年的发展，其理论框架日趋完善。
现在，它被广泛应用于各个领域，包括宇宙学、黑洞物理学、引力波探测、星系运动和天体物理学等。
总体来说，广义相对论是现代物理学领域中一个重要的理论，它揭示了物质和能量之间的联系，为我们深入理解宇宙和物质的微观世界提供了重要的帮助。
广义相对论 黄超光
广义相对论黄超光广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的一种物理理论，用于描述引力的起源和运动物体在弯曲时空中所受到的影响。
相对论的建立使得我们对于引力有了全新的认识，解释了大量实验观测和天体观测的现象。
广义相对论的基本假设是：时空是弯曲的，物质和能量的分布决定了时空的弯曲程度；在曲率时空中，质量和能量越大，曲率就越大，从而对其他物体产生引力作用。
相对论将引力解释为时空的曲率，物体沿着曲率最小的路径运动，即沿着弯曲时空中的测地线运动。
相对论对引力进行了全面的描述，它在宏观上可以解释行星的轨道和星系的结构，并预测了黑洞、引力波等奇特现象的存在。
相对论的一个重要特点是它在微观尺度上也能解释物理现象。
相较于经典物理学，广义相对论深入研究了时空的弯曲和物质的运动对时间和空间的影响。
广义相对论提供了一个全新的引力理论，它与爱因斯坦的另一部经典理论——狭义相对论相结合，共同构成了现代物理学的基础。
狭义相对论提供了描述高速运动物体的理论，而广义相对论则提供了描述引力和弯曲时空的理论。
广义相对论的形式化描述是通过爱因斯坦场方程来实现的。
该方程表达了时空的弯曲与分布在其中的物质和能量的关系，它建立了物质能量与引力之间的联系。
爱因斯坦场方程的求解可以得到描述时空的度量张量，从而确定物体在时空中的运动轨迹。
广义相对论的实验验证主要有三个方面：光线的偏折、时空的膨胀和重力的红移。
光线在引力场中的传播路径会发生偏折，这在1919年的日食观测中得到了证实。
此外，相对论还预测了物体在强引力场中的时间流逝速度较慢，这一效应在GPS 卫星导航系统中的应用进行了实验验证。
最后，重力的红移现象也是广义相对论的重要预测之一，它在天文观测中得到了验证。
广义相对论的研究对于现代物理学的发展做出了重要贡献。
它不仅解释了引力的本质，而且也指导了我们对宇宙结构和演化的理解。
此外，相对论还促进了量子力学和引力理论的研究，为统一理论的发展打下了基础。
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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
3
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。”
8
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．
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引力红移
各 类 星 体 对 比
宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫 做白矮星，其表面的时间进程比较慢，那里的发光频 率比同种的原子在地球上发光频率低，即发生红移， 这个现象叫做引力红移．
广义相对论对于研究天体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、量子引力以 及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究正在深入，广 义相对论成为物理研究的重要理论基础。 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。
§1-5 广义相对论简介
一、广义相对论产生的背景
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题： 1、引力问题:万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架； 2、非惯性系问题:狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系
具有这样的地位？狭义相对论无法解释
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，将引力、空间与时间三者联系了起来，是人类认识自 然界历史上的一次大飞跃。
惯性系等效原理不一定成立。
狭义、广义相对论比较
狭义相对论
广义相对论
不同的惯性 相对 参考系中一 性原 切物理规律 理 都是相同的
更进一步
任何参考系 广义 （包括非惯性 相对
系）中物理规 性原 律都是相同的 理
光 真空中的光 速 速在不同惯
恒 性参考系中 定 都是相等的
一个均匀的 等 引力场与一个 效 做匀加速运动 原 的参考系等价 理
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透镜效应
星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这 种现象叫做引力透镜效应．
星体
宇宙中很可能存在黑洞， 它不辐射电磁波，因此无法直 接观测，但是它的巨大质量和 极小的体积使其附近产生极强 的引力场，引力透镜是探索黑 洞的途径之一．
பைடு நூலகம்
无
法
黑
星体
观
洞
测
爱因斯坦十字架”
(Einstein Cross)
在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后，GPS卫星时 钟每天还要快上大约38微秒，GPS导航仪在定位时还必须根 据相对论进行计算纠正这些误差。
可见GPS的使用既离不开狭义相对论，也离不开广义相 对论，GPS让普通人也能亲身体验到了相对论。
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18
三、广义相对论的预言与验证
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，这三大检验均取得了令 人满意的结果。 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。