广义相对论建立在下列原理的基础上
《现代科学技术概论》题库及答案
《现代科学技术概论》题库及答案一、填空题1. 按照研究过程的不同可将研究分为__________、__________和开发研究。
2. 古希腊数学的最高成就体现在亚历山大时期的___________，他的不朽著作_____________，把前人的数学成果用公理化的方法加以系统的整理和总结。
3. 古代中国的四大发明是指造纸、______、印刷和______。
4. 近代科学革命是以________创立的日心说为开端，宣告了神学宇宙观的破产，比利时的解剖学家维萨里的___________一书，揭开了医学领域的革命序幕。
5. 拓扑学是用________研究几何图形在_____________下保持不变的性质。
6. 狭义相对论的两条基础原理分别是________________和_________________。
7. 德国物理学家海森堡和奥地利物理学家薛定谔分别于1925年和1926年创立了两种不同形式的量子力学____________和____________。
8. ____和______，揭开了原子能时代的序幕，标志着原子核物理学进入了一个新的发展阶段。
9. 广义相对论表明：在引力场中，空间的弯曲程度取决于__________________，物质密度大的地方，引力场也大，空间的弯曲也__________。
10. 计算机系统由________和________组成。
11. 迄今为止的计算机都是基于匈牙利数学家___________的___________思想设计而成的。
12. 网络拓扑结构是指网络中计算机之间物理连接的方式，较常见的拓扑结构有___________、总线结构、环形结构、___________和树形结构。
13. 对应于研究的种基本类型可以将科学分为基础科学、_________和_________。
14. 古希腊成就最伟大的物理学家是___________，被誉为“力学之父”，他在静力学方面的主要成果是用逻辑方法证明了_____________并给出了数学表达式、发现浮体定律、提出计算物体重心的方法等，这在当时达到世界的最高水平。
广义相对论是如何一步步被构思出来的？
广义相对论是如何一步步被构思出来的？在本文中我们将带领读者认识广义相对论与引力场方程。
笔者一直相信科学的真理都具有一些共同的特征：物理图像清晰，思想深刻但是结论优美易懂，且总可以找到浅显易懂的方式让读者品味科学非凡的美妙。
在笔者看来广义相对论就是这样优美的理论，笔者期待读者在读完这篇文章后也能深深沉醉于科学的美，并惊叹于人类心智的荣耀。
欢迎大家留言，并发表自己的看法！引力理论四百年——从第谷到爱因斯坦在讨论爱因斯坦广义相对论之前，笔者想和读者一同回顾一下引力理论自第谷到牛顿再到爱因斯坦这几百年的发展历程，对如此发展历程的回顾也是很有启发性的，事实上，淡凡一个优美的科学理论，它从诞生到发展成熟都会经历一些相似的发展历程。
笔者在这里以引力理论为例展现一个科学理论不断发展进步的历程，引力理论的发展经历了如下几个不同的时代：第谷（Tycho Brahe，1546－1601，丹麦天文学家）是开普勒（Johannes Kepler，1571 —1630，德国天文学家）的老师，第谷用毕生的精力观测并收集天文数据，身后留下海量的天文观测原始数据，并将这些数据交给了开普勒，开普勒又用毕生的时间探索研究这些原始数据，凭借惊人的毅力从这些数据中摸索总结出了开普勒的三大定律[6]。
小编旁白：我们来复习复习开普勒三大定律——•轨道定律（第一定律）：太阳系行星轨道是椭圆形的，并且太阳在椭圆焦点上。
•面积定律（第二定律）：行星和太阳的连线在相同时间内扫过相同面积（这个定律被牛顿用他的第二运动定律更严格地推导出来）。
•周期定律（第三定律）：公转周期的平方和椭圆的半长轴立方成正比（这个定律被牛顿用他的万有引力定律更严格地推导出来）。
虽然开普勒是用总结归纳的方式从数据中推测出了这三个重要的定律（定律和定理一个重要区别在于，前者大多是通过实验推测出来的，而后者则需要严格的数学证明——小编注）。
这三个定律后来都被证实是正确的，于是科学马拉松的接力棒就传到了牛顿及爱因斯坦的手中（当然中间还有伽利略等人的贡献），他们的工作标志这这一系列工作开始走向成熟。
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。
从爱因斯坦到霍金的宇宙课后习题答案
从爱因斯坦到霍金的宇宙2019尔雅满分答案物理学的起源1Physics这个词最先是谁想出的?(B)A、柏拉图B、亚里士多德C、欧几里得D、阿基米德2颐和园宝云阁的“物含妙理总堪寻”是由康熙题词。
(X)“物理”一词在中国1谁认为“格物致知”中的“格”意思是“变革”?(D)A、朱熹B、王阳明C、王艮D、毛泽东2王阳明强调人心,良知,冉伟革去外物,良知自存。
(对)物理学的诞生1谁首先指出物理学是一门“实验的科学”、“测量的科学”?(B)A、阿基米德B、伽利略C、牛顿2阿基米德的重要发现是(BC)。
A、自由落体定律B、浮力定律C、杠杆原理D、相对性原理3下列哪些定律是伽利略首先确认的?(ACD)A、相对性原理B、杠杆原理C、自由落体定律D、惯性定律“1642年”在物理学上的意义1牛顿的主要成就是(AB)。
A、力学三定律B、万有引力定律C、光的波动说D、能量守恒定律2库伦从介质的弹性振动导出了电磁学的基本方程组。
(对)3麦克斯韦从介质的弹性振动导出了电磁学的基本方程组。
(对)热学的发展1热力学的哪一条定律说"不能从单一热源吸热做功,而对外界不产生影响"?(B) A、第一定律C、第三定律D、第零定律2开尔文提出不能从单一热源吸热做工而不产生其他影响。
对明朗天空的两朵乌云1爱因斯坦提出下列理论中的哪一个,用以解释光电效应?(D)A、量子论B、光子说C、波动说D、光量子论2瑞利—金斯曲线在短波波段与实验曲线完全符合,在长波波段变得无穷大。
X 并非神童的爱因斯坦1爱因斯坦在苏黎世工业大学上学期间,其物理教授是(A)。
A、韦伯B、卢瑟福C、玻尔D、狄拉克求职不顺的爱因斯坦1爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业后曾向著名的物理学家奥斯特瓦尔德求职。
对爱因斯坦的丰收年127岁那年,是爱因斯坦的丰收年,他做出了如下的创新工作(ABD)。
A、光量子说B、狭义相对论C、广义相对论D、E = mc2相对论的建立（Ⅰ）1迈克耳孙实验结果与当时天文学的光行差现象相矛盾。
广义相对论的基本原理
广义相对论的基本原理爱因斯坦提出马赫原理、广义协变性原理和等效原理作为广义相对论的基本原理。
他采用弯曲时空的黎曼几何来描述引力场，给出引力场中的物理规律，进而提出引力场方程，奠定了广义相对论的理论基础。
1、1马赫原理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。
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。
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的思想。
爱因斯坦说：“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休漠和马赫那里受到莫大的启发。
” 爱因斯坦建立广义相对论的一个重要思想是认为时间和空间的几何不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定。
这个思想直接导致用黎曼几何来描述存在引力场的时间和空间，并成为写下引力场方程的依据。
爱因斯坦的这一思想是从物理学家和哲学家马赫对牛顿的绝对空间观念以及牛顿的整个体系的批判中汲取而来的。
爱因斯坦把这一思想称为马赫原理。
马赫原理早在17世纪就已经有了萌芽。
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。
（2）粒子的惯性是由这个粒子与宇宙中所有其他物质的相互作用造成的。
《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。
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。
从爱因斯坦到霍金的宇宙 尔雅答案
1.5 、爱因斯坦生平与科学贡献（一）1、爱因斯坦的第一任妻子是（A、米列娃）。
2、爱因斯坦在哪个国家上的大学（B、瑞士）3、爱因斯坦是哪个民族的（C、犹太人）4、数学家希尔伯特和闵可夫斯基是小学同学。
（√）5、爱因斯坦大学毕业的时候没有文凭（×）1.6、爱因斯坦生平与科学贡献（二）1、爱因斯坦在（D、1914）年到达柏林，开始在柏林大学任教。
2、在质能方程?中，c 表示什么？（C、光速）3、爱因斯坦的博士论文的主题是（C、分子大小的测量）4、爱因斯坦逝世的时候拥有哪两个国家的国籍？（B、美国和瑞士）5、爱因斯坦1902-1909 年在下面哪个单位工作？（D、专利局）6、爱因斯坦任职的第一个大学是格丁根大学。
（×）7、爱因斯坦的儿子拿到过诺贝尔奖（×）1.7、迈克尔逊实验、洛伦兹变换与相对论的建立1、“真空中的光速对任何观察者来说都是相同的”是什么原理？（A、光速不变原理）2、“洛伦兹变换”最初用来调和19 世纪建立起来的经典电动力学同（）的矛盾。
窗体顶端（C、牛顿力学）3、谁通过实验证明了光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的？（C、迈克尔逊）4、爱因斯坦提出相对论主要参考了哪个实验（B、斐索实验）5、从“伽利略变换”能推出“洛伦兹收缩”。
（×）6、恒星以v 的速度运动，恒星发出光的速度是。
（×）7、洛伦兹提出“洛伦兹收缩”是为了解决迈克尔逊实验和光行差现象的矛盾。
（√）1.8、相对论的几个结论1、银河系的直径约多少光年？（C、10 万）2、“相对论”的结论不包括下面哪一项？（D、安培定律）3、除太阳以外离我们最近的恒星是（C、比邻星）。
4、“双生子佯谬”是谁提出来的？（A、郎之万）5、火车以0.9 倍光速在运动，在火车上的人以0.9 倍光速同方向运动，我们就会看到火车上的人速度超过光速。
（×）6、“相对论”的质量公式最先是由爱因斯坦给出的。
广义相对论简介
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。
时间
能量
狭义
广义
狭义
空间
x (x,ict)
动量
p
( p,
i c
E)
广义相对论认为物质的存在（能量、动量 的存在），会使四维时空发生弯曲，如果物质 消失，时空就回到平直状态。万有引力是时空 弯曲的表现，质点在万有引力作用下的运动 （比如：自由落体、行星绕日运动）是弯曲时 空的自由运动 —— 惯性运动。
这个解很象一个“公制”，此“公制”可以作为 获取时空中曲线段“长度”的公式。物体沿时间 （“坐标轴”）运动的曲线的长度，如果用此公式计 算，就恰是该运动物体所经历的时间。公式的最终形 式取决于你选择用来描述事物的坐标系。公式可以因 坐标不同而变形，但象时空弯曲这样的物理量却不会 受影响。
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
引力质量 mg ——量度物体与其它物体相互吸引
的能力。
F G M Emg
RE2
牛顿的实验结果
mg 1 0(103 ) mi
20世纪60年代，Dicke的实验结果
(2) 等效原理
mg 1 0(1011) mi
一个物体在均匀引力场中的动力学效应与物体
在加速参考系中的动力学效应是不可区分的。
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广义相对论建立在下列原理的基础上广义相对论是一种基于引力的理论，被广泛认为是现代物理学的基础。
这一理论在爱因斯坦的带领下被建立起来，而它的基础包括以下原理：
1. 等效原理：等效原理是广义相对论的一项基本原则之一。
它表明，引力场与加速度场之间不存在任何物理区别。
也就是说，在一个惯性参考系中运动的观察者与在一个加速参考系中运动的观察者，所观测到的物理现象都是相同的。
这一原理被认为是广义相对论的基础。
2. 相对性原理：相对性原理是广义相对论的另一个基本原理。
它表述了观察者的运动状态和物理实验的结果是互不影响的。
也就是说，无论在任何速度下，物理现象的规律都是相同的。
这一原理在经典力学中已经被证实，而在广义相对论中更是被视为基石。
3. 球对称强引力原理：这一原理是广义相对论的一个重要扩展。
它表明，在一个球对称的强引力场中，所有的物体都是自由下落的，并且它们的运动轨迹是相同的。
这一原理是关于广义相对论的精度天文观测结果的重要验证。
4. 时空连续性原理：时空连续性原理被广义相对论视作是另一个基本原理。
它表明，在任何时候和任何地点，时空都是连续的和一致的。
这意味着，不存在任何短程效应或非局域性效应，这使得物理学家可以更加精确地预测自然界的现象。
5. 能量-动量守恒原理：能量-动量守恒原理是广义相对论的另一个基本
原理。
它表明，在一切物理过程中，总能量和总动量始终保持不变。
相比于经典物理学，这一原理在广义相对论中包含了更多额外的因素，比如时空曲率等。
这些原理被认为是广义相对论建立与发展的基础，为我们深入探究自
然界提供了良好的理论框架和思路。