相对论简介 广义相对论是在什么样的背景下发生的 广义相对论简介

广义相对论描述了物质间引力相互作用的理论。它的建立是由a .爱因斯坦于1915年完成的，并于1916年正式出版。这个理论第一次把引力场解释为时间空弯曲。

概念介绍

黑洞

爱因斯坦的广义相对论在天体物理学中有一个非常重要的应用:它直接推导出一些大质量恒星最终会成为黑洞——时间上的某些区域空扭曲得连光都无法逃脱；印度物理学家钱德拉塞卡的功劳——钱德拉塞卡的极限——是有多少恒星坍缩成黑洞。

重力透射

证据表明，恒星质量黑洞和超大质量黑洞是一些天体，如活动星系核和微类星体发出高强度辐射的直接原因。光在引力场中的偏转会形成引力透镜现象，使人们能够在远处观察到同一天体的多幅图像。

重力波

广义相对论也预言了引力波的存在，这一点已被直接观测所证实。另外，广义相对论是现代宇宙学膨胀宇宙模型的理论基础。

时间空关系

19世纪末，由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论的完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”。但当人们用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现了一系列尖锐的矛盾，对经典的时间观空提出了质疑。爱因斯坦在物理学上提出了新的时间观空，建立了与光速相当的高速运动物体定律，创立了相对论。狭义相对论提出了两个基本原理。光速不变原理:即在任何惯性系中，真空中光速c是相同的，为299，792，458m/s，与光源和观察者的运动无关。狭义的相对论原理是指物理的基本定律，甚至是自然定律，对于所有的惯性参考系都是一样的。

爱因斯坦的第二相对论。根据该理论，引力是由空之间时间弯曲的几何效应扭曲引起的，因此引力场影响时间和距离的测量。

万有引力

广义相对论是关于引力本质的理论。爱因斯坦曾试图将万有引力定律纳入相对论框架。几次失败后，他终于意识到狭义相对论无法容纳万有引力定律。于是他把狭义相对论原理推广到广义相对论，利用万有引力相当于局部惯性系中惯性力的原理，建立了弯曲时间空用黎曼几何描述引力的广义相对论。

狭义相对论

狭义相对论和广义相对论:狭义相对论只适用于惯性系，其时间空背景为平坦四维时间空，而广义相对论适用于包括非惯性系在内的所有参考系，其时间空背景为弯曲黎曼时间空。

出生背景

开发过程

爱因斯坦在1905年发表了一篇关于狭义相对论中重力和加速度对光的影响的论文，广义相对论的雏形开始形成。1912年，爱因斯坦又发表了一篇论文，讨论如何用几何语言描述重力场。这时，广义相对论的运动学出现了。1915年，爱因斯坦引力场方程发表，广义相对论的整个动力学终于完成。

开放方程解

1915年以后，广义相对论的发展多集中在求解场方程上，对解的物理解释和寻找可能的实验和观测也占了很大一部分。但是由于场方程是非线性偏微分方程，很难求解，所以在计算机应用于科学之前只求解了几个解。其中有三个著名的解:史瓦西解、雷斯勒-诺斯斯特龙解和克尔解。

三大验证

在广义相对论的实验验证中，有三个著名的验证。在水星近日点进动中，百年剩余43秒的进动很长时间无法解释，但广义相对论已经完美解释了。光在引力场中的弯曲，用广义相对论计算出来，刚好是牛顿理论的两倍大。爱丁顿和戴森的观测小组利用1919年5月29日日全食的观测结果，证实了广义相对论的正确性。然后就是引力红移。根据广义相对论，引力场中的时钟比较慢。因此，从恒星表面发射到地球的光的谱线会发生红移，这也得到高精度的证实。从此，广义相对论的正确性得到了广泛的认可。

此外，宇宙的膨胀又创造了广义相对论的另一个高潮。从1922年开始，研究人员发现，场方程的解会是一个膨胀的宇宙，爱因斯坦自然不相信当时的宇宙会膨胀或收缩，于是他在场方程中加入了一个宇宙学常数，使求解一个稳定的宇宙成为可能。但是这个解决方案有两个问题。理论上，稳定宇宙的解在数学上是不稳定的。另外，在观测中，1929年，哈勃发现宇宙其实是在膨胀的。这个实验结果让爱因斯坦放弃了宇宙常数，声称这是我一生中最大的错误。

但是根据最近对超新星的观察，宇宙的膨胀正在加速。所以宇宙常数似乎复活了，宇宙中的暗能量可能要用宇宙常数来解释了。

基本假设

简单来说，广义相对论的两个基本原理是:一、等效原理:惯性力场和引力场的动力学效应在局部是无法区分的；第二，广义相对论原理:所有的物理定律在任何参考系中都采取相同的形式。