广义相对论的原理是什么 其理论内容如何

原则

等价原则:分为弱等价原则和强等价原则。弱等效原理认为惯性力场和引力场的动力学效应在局部是不可区分的。根据强等效原理，将“动态效应”提升为“任何物理效应”。需要强调的是，等效原理只对局部惯性系有效，对非局部惯性系无效。

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。这个定理是狭义相对论原理的推广。在狭义相对论中，如果试图定义惯性系，会有一个无限循环:一般情况下，不受外力作用的物体的坐标系是惯性系；但是如何判断一个物体没有受到外力？答案只能是，当物体保持静止或匀速直线运动时，物体不受外力作用。显然，逻辑中有一个不可分割的无限循环。这说明人们无法给出惯性系的严格定义，这是狭义相对论的一个严重缺陷。为了解决这个问题，爱因斯坦直接从相对论中去掉了惯性系的概念，用“任意参考系”代替了原来狭义相对论原理中的惯性系。

广义相对论以狭义相对论为基础。如果后者被证明是错的，那么整个理论大厦就会坍塌。

要理解广义相对论，必须搞清楚经典力学中质量是如何定义的。首先，让我们思考一下，在我们的日常生活中，质量代表着什么。“是体重”？其实我们认为质量是可以衡量的东西，就像我们这样衡量:我们把一个质量需要衡量的物体放在天平上。我们这样做是在利用什么性质的质量？地球和被测物体相互吸引是事实。这个质量叫做“引力质量”

".我们之所以称之为“引力”，是因为它决定了宇宙中所有恒星的运动:地球和太阳之间的引力质量驱动地球绕后者做一个近乎圆形的轨道。

试着在平坦的路面上推你的车。你不能否认你的车强烈反对你想给它的加速度。这是因为你的车质量很大。轻的物体比重的物体更容易移动。质量也可以用另一种方式定义:“它抵抗加速度”。这种质量称为“惯性质量”。

因此，我们得出结论，我们可以通过两种方式来衡量质量。要么我们称它，要么我们测量它对加速度的阻力。

重力质量和惯性质量

为了测量同一个物体的惯性质量和引力质量，已经做了许多实验。所有实验结果都得出了相同的结论:惯性质量等于引力质量。

牛顿自己也意识到这种质量对等是由于某种他的理论无法解释的原因造成的。但他认为这个结果只是单纯的巧合。相反，爱因斯坦发现在这个等价中有一个替代牛顿理论的通道。

日常经验验证了这个等式:两个物体会以相同的速度“坠落”。然而，重的物体比轻的物体更容易被重力吸引。那么它为什么不更快地“坠落”呢？因为它更耐加速。结论是引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到这一现象的人。重要的是要明白引力场中所有物体“以相同的加速度下落”是惯性质量和引力质量等效的结果。

注意“坠落”这个表达。物体“坠落”是因为地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中有相同的加速度。无论是月球还是太阳，它们都以相同的速度加速。也就是说，他们的速度增量在每一秒都是一样的。

引力质量和惯性质量相等

爱因斯坦一直在寻找“引力质量等于惯性质量”的解释。为此，他提出了第三个假设，称为“等价原则”。它表明，如果一个惯性系相对于一个伽利略系统被均匀加速，那么我们可以通过引入一个相对于它的均匀引力场来认为它是静止的。

我们来考察一个惯性系K’，它相对于伽利略系统有一个匀速加速运动。K和K’周围有很多物体。这个物体相对于K是静止的。因此，这些物体相对于K’有相同的加速运动。这个加速度对于所有物体都是一样的，与K’相对于K的加速度方向相反，就像我们说的，在一个引力场中所有物体的加速度都是一样的，所以它的作用相当于K’是静止的，存在一个均匀的引力场。

所以，如果建立了等价原理，那么一个物体的两个质量相等只是一个简单的推论。这就是为什么等价是支持等价原则的一个重要论点。

第四个原则

通过假设K′是静止的，引力场存在，我们把K′理解为一个伽利略系统，在这个系统中我们可以研究力学的规律。爱因斯坦由此确立了他的第四条原则。

理论内容

等效原则

爱因斯坦提出了“等效原理”，即重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价性。爱因斯坦根据等价原理，将狭义相对论原理推广到广义相对论原理，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。测地线方程与物体的固有性质无关，只取决于时间的局部几何性质空。引力是时间的局部几何性质的表达空。物质质量的存在会引起小时空的弯曲。在弯曲小时空，物体仍然沿最短距离运动。例如，当地球因太阳而弯曲时，测地线移入空。其实就像在地球的曲面上一样，如果做直线运动，其实就是绕着地球表面的大圆转。

几何基础

引力是时间的局部几何性质的表达空。广义相对论虽然是爱因斯坦创立的，但它的数学基础可以追溯到几个世纪以来欧几里得几何的公理和证明欧几里得第五公设的努力。这方面的努力在罗巴切夫斯基、波尔约和高斯的工作中达到顶点:他们指出欧几里德的第五公设不能被前四公设所证明。非欧几何的一般数学理论是高斯在1827年完成的。他在研究曲面的性质时，直接把曲面作为研究对象，而不是外空，创立了曲面的“内在”几何。1854年，高斯的学生黎曼将高斯的本征几何推广到高维空，建立了任意维弯曲空的几何基础，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里得几何不能应用于现实世界。

爱因斯坦场方程和史瓦西解

广义相对论中，引力的作用是“几何上”的——也就是说，闵空与引力之间的狭义相对论的物理图景，成为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，而成为测地线方程。

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。

重力对时间的影响可以用上面的标度得到。

预测

根据广义相对论，局部惯性系中没有引力，一维时间和三维空构成四维平坦欧氏空空间。在任意参考系中，存在引力，引力导致时间空弯曲，所以时间空在四维弯曲非欧空之间。爱因斯坦发现了空几何的引力场方程，当物质的分布影响它的时候。时间空之间的弯曲结构取决于物质能量密度和动量密度在时间空上的分布，进而决定了物体的运动轨道。在引力不强和时间空曲线较小情况下，广义相对论的预言与牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致。而当重力较强，时间空之间的弯曲较大时，两者是有区别的。自广义相对论提出以来，它预言了水星近日点的异常进动、光频的引力红移、光的引力偏转和雷达回波延迟，这些都是天文观测或实验所证实的。脉冲双星的观测也为广义相对论预言的引力波的存在提供了有力的证据。

爱因斯坦提出了一个革命性的观点，即引力不同于其他种类的力，它只是时间空不平坦的结果，而人们更早地假设时间空是平坦的。像地球这样的物体不会因为重力而沿着弯曲的轨道运动。相反，它沿着曲线空之间最接近直线路径的东西移动，这种路径称为测地线。测地线是两个相邻点之间最短的路径。广义相对论中，物体在四维时间总是沿着一条直线走空。然而，在我们看来，它在3D 空中遵循一条弯曲的路径。有关系:能量越大，频率越高。当光从地球引力场向上传播时，它失去了能量，所以它的频率降低了和3K宇宙背景辐射，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和宇宙的结构和演化具有重要意义。对中子星的形成与结构、黑洞物理与黑洞探测、引力辐射理论与引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力与大尺度时间的拓扑结构空的研究不断深入，广义相对论已成为物理学研究的重要理论基础。