广义相对论的建立
广义相对论的产生与发展
广义相对论的产生与发展
广义相对论的产生和发展
广义相对论是20世纪最重要的物理学理论之一，它是以爱因斯坦为主要领导者的一系列研究的结果。
在历史上，它改变了科学界对宇宙和物理学自然法则的看法。
广义相对论的起源要追溯到17世纪以前，起源于希腊哲学家柏拉图的两面运动定律。
由此，一些科学家，如牛顿，提出了其他的假设，即宇宙的空间和时间是相对的，但这种看法很快就被证明是错误的。
爱因斯坦在20世纪初开始针对这一问题的研究，他意识到两个宇宙存在的相性，这一理论最终修正了新牛顿力学，出现了“散射物理学”。
不久，爱因斯坦提出了“广义相对论”，依据这一理论，宇宙是十分广阔的时空结构，物理现象受到“弯曲”，他宣称它是“相对论”。
之后，爱因斯坦不断改进他的理论，它最终在1920年被写入论文并用于引力的解释，推动了物理学的发展。
由此，这项天才的理论改变了宇宙，物理学和天文学的研究方向，使得更多的科学家介入这一新的领域，并形成了新的模型。
今天，广义相对论仍然是物理学的重要基础，在天文学方面，它也发挥了至关重要的作用，并给人们提供了关于宇宙结构和未来展望的非常重要的科学框架。
广义相对论的创立
1、xx相对论的创立是科学史上的奇迹爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。
他对科学的贡献遍及整个物理学领域。
正如一些学者所指出的那样，“按照诺贝尔物理学奖颁发的标准，他至少可得五次奖金（指狭义相对论、质能相当性、广义相对论、光量子论、布朗运动等五项工作）。
然而，在爱因斯坦的科学贡献中最令人赞叹的成就还是他成功地独自创立了广义相对论。
人们普遍认为，爱因斯坦在20世纪科学史上占据着至高无上的地位。
如果我们问那些伟大的物理学家中的任何一个人，为20世纪物理学做出了最重要贡献的人是谁，那么，他们将会毫不犹豫地回答：阿耳伯特·爱因斯坦。
爱因斯坦的物理发现的压倒一切的重要性和他在科学史中独一无二的地位被普遍地承认，并且几乎无可争辩。
著名的物理学家朗之万在评价爱因斯坦时说：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦的地位将在最前列。
他现在是并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。
很难说他是否同牛顿一样伟大，或者是比牛顿更伟大，不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿比拟的。
按我的意，他也许比牛顿更伟大一些，因为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的结构中。
”另一位著名的物理学家朗道曾对20世纪杰出的物理学家的贡献做过一个有趣的比较。
他把玻尔。
海森伯、狄拉克、薛定谔等人都列为第一等，把自己列为第ZI等，唯独把爱因斯坦列为第Z等。
由此可以看出爱因斯坦在20世纪科学史上占据多么突出的地位，而这主要是因为他独自一人成功地创立了广义相对论。
广义相对论的创立与其他物理学理论（包括狭义相对论）产生的途径完全不同，既不是为了解决理论与实验存在着的分歧，也不是为了满足理论发展的迫切需要，并且广义相对论是一项“真正的个人的工作”，完全是爱因斯坦独自的发现。
广义相对论是一门艰深难懂的理论，以致于它产生之后多年都很少有人真正弄懂它。
英费尔德讲过这样一件趣事，“在大战期间爱丁顿作了一个关于广义相对论的报告。
在报告结束时，一位物理学家对爱丁顿说：‘这是一个出色的报告。
广义相对论简单解释
简介广义相对论是阿尔伯特-爱因斯坦在1915年提出的一种重力理论。
它是现代物理学的一个基本组成部分，它解释了引力是如何在大范围内发挥作用的。
广义相对论已被用来解释许多现象，如宇宙的膨胀和大质量物体周围的光线弯曲。
在这篇文章中，我将对广义相对论及其影响进行简单解释。
什么是广义相对论？广义相对论是一种解释引力如何在大范围内发挥作用的理论。
它指出，引力是由时空的曲率引起的，时空是构成宇宙的四维结构。
根据广义相对论，像恒星和行星这样的大质量物体会导致时空围绕它们弯曲，产生我们所感知的重力。
这意味着空间中的物体不仅受到自身引力的影响，而且还受到附近其他物体的引力影响。
狭义相对论在爱因斯坦提出广义相对论之前，他提出了另一个理论，叫做狭义相对论。
这一理论指出，时间和空间是相对的；它们可以根据观察者的参照系而被扭曲。
例如，两个以不同速度运动的观察者对时间的体验是不同的；一个观察者可能比另一个观察者体验到的时间流逝更快。
狭义相对论还指出，没有什么能比光速更快；这意味着光在所有参照系中都有一个绝对的速度限制。
广义相对论和引力广义相对论建立在狭义相对论的基础上，解释了引力在大范围内的作用。
根据广义相对论，像恒星和行星这样的大质量物体会导致时空在它们周围弯曲，产生我们所感知的引力。
这意味着空间中的物体不仅受到自身引力的影响，还受到附近其他物体引力的影响；例如，地球围绕太阳的轨道是由于地球自身的引力和太阳的引力共同作用于地球的时空路径。
除了解释引力如何在大范围内发挥作用，广义相对论还解释了为什么它的行为与自然界的其他力量（如电磁力）不同。
大多数力在任何距离上都是瞬时作用的（例如，电的传播速度几乎是光速），而引力的作用要慢得多；由于它对时空的弯曲，它的影响在长距离上需要时间来感受。
广义相对论的含义广义相对论已被用来解释我们宇宙中的许多现象，如黑洞和中子星；这些区域的物质被压缩得如此密集，以至于产生了强烈的引力场，使时空扭曲，甚至连光都无法从其中逃脱（这种现象被称为"引力透镜"）。
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
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。”
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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．
爱因斯坦广义相对论简介
ห้องสมุดไป่ตู้
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]。
广义相对论建立在下列原理的基础上
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。
爱因斯坦广义相对论的建立及相对论的意义
爱因斯坦广义相对论的建立及相对论的意义广义相对论的建立1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。
但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。
1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。
虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平，1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。
1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。
在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广，对于他来说，有两个问题使他不安。
第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。
牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。
第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。
但事实上却很难找到真正的惯性系。
从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。
狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。
而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。
这个问题简直没法回答。
实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。
正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。
广义相对论发展极简史
广义相对论发展极简史一百多年前，科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论（General Theory of Relativity，GTR），这项理论改变了人类对宇宙的看法。
它引发了一系列的科学发现，以及宇宙的本质的新认识。
本文将通过介绍GTR的发展史，来总结一下这个理论的发展过程，以及它对现代科学产生的巨大影响。
首先，要讨论GTR的发展史，就要从阿尔伯特·爱因斯坦开始说起。
爱因斯坦是德国物理学家，也是20世纪最伟大的科学家之一。
1905年，他提出了广义相对论，这是他毕生研究的重要成果。
他的理论颠覆了传统的牛顿力学，认为重力不是一种力，而是因为物体对宇宙的引力而引起的变形。
爱因斯坦的理论被认为是物理学研究的一个里程碑，它改变了人类对宇宙的认识，也为后来的科学研究提供了重要的基础。
1915年，爱因斯坦将自己的理论扩展到宇宙的范围，提出了宇宙学，这是宇宙学研究的开端。
他的理论首先被用来解释宇宙的演化历史，以及宇宙中星系、黑洞等现象。
此外，爱因斯坦还提出了“最初的晕动”理论，认为宇宙最初由一股强烈的热量而来，这个理论也被后人证实，被称为“宇宙的大爆炸”。
此后，随着宇宙学的发展，爱因斯坦的理论也取得了巨大的进步。
1930年代，爱因斯坦开始探索宇宙学中的更复杂的问题，包括宇宙的形状和结构、宇宙的年龄、以及宇宙中星系的起源。
他还探索了宇宙的形成机制，发现了黑洞和银弹等现象，为宇宙学研究提供了新的研究方向。
20世纪50年代，随着宇宙学的发展，人们开始深入研究GTR的更为深入的问题，如宇宙的演化、宇宙的属性等。
同时，随着宇宙学研究的深入，人们也开始发现GTR的新应用，如宇宙学的数值模拟，以及宇宙学中的新现象。
20世纪90年代，随着科学技术的发展，人们开始深入研究GTR的更深层次的问题，如宇宙的速度、宇宙的演化历史等。
同时，科学家们也开始探索GTR的更新的应用，如宇宙学的数值模拟，以及宇宙学中的新现象。
爱因斯坦简历
爱因斯坦简历阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein,1879年3月14日-1955年4月18日），出生于德国巴登-符腾堡州乌尔姆市，毕业于苏黎世联邦理工学院，现代物理学家，诺贝尔物理学奖获得者，在科学哲学领域也颇具影响力。
1905年，爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位，因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应的原理”，获得 1921年诺贝尔物理奖，这一发现为量子理论的建立踏出了关键性的一步；同年创立狭义相对论。
1915年创立广义相对论。
爱因斯坦的理论为核能的开发奠定了理论基础，开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家。
物理学成就01狭义相对论相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。
由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。
但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。
他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
02广义相对论1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。
至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。
1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。
相对论的意义：狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。
相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。
广义相对论发展史
广义相对论发展史
爱因斯坦的广义相对论被认为是人类理性思维世界中最耀眼的明珠，爱因斯坦也因此从普通的物理学家变成了超一流、神一样的物理学家。
广义相对论是爱因斯坦在1905年发现狭义相对论以后开始思考的，其基本的研究线索还是等效原理的推广，狭义相对论适用于静止或者匀速直线运动的场景，这种场景下，物理定律对任何人都是等价的，得出结论是时空是可以变化的；但是广义相对论对于非匀速运动却不适用，广义相对论就是为了解决这个问题，其目标是要解决在加速场景下，物理定律对任何人也是等价的。
爱因斯坦从惯性质量与引力质量相等这个想法出发，逐步发展出了广义相对论，其中的发现过程是非常痛苦的，因为其用到的黎曼空间几何数学非常有复杂，计算过程很困难，爱因斯坦在自己努力的同时，不得不求助数学家帮忙，包括他的大学同学格罗斯曼、希尔伯特等。
终于在1915年推出了正确的广义相对论方程，其实伟大的数学家希尔伯特比爱因斯坦提前几天就得到了正确的方式，但是由于这个方程的物理学意义是爱因斯坦提出的，因此这个方程被称为爱因斯坦方程。
其核心意思是物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。
广义相对论被证明是正确的主要有两点：一是成功解释水星绕太阳运动时的进动问题；二是光线经过太阳会被弯曲（这一点是1919年由英国科学家爱丁顿领导完成的）。
当然，之后还有很多实验证明了广义相对论的正确性。
广义相对论的建立过程
广义相对论的建立过程一、引言广义相对论，是爱因斯坦于1915年提出的引力理论，它描述了引力如何影响时空结构。
这一理论的出现彻底改变了我们对宇宙的理解，为现代宇宙学奠定了基础。
本文将详细介绍广义相对论的建立过程，从早期探索到理论的诞生、验证和发展。
二、早期探索在广义相对论提出之前，牛顿的万有引力定律一直是描述引力的主要理论。
然而，随着科学技术的进步，人们发现牛顿理论在某些情况下无法解释观测到的现象，例如水星轨道的进动问题。
此外，当时的光谱学实验也发现，行星轨道上的光速会因行星的位置而略有变化。
这些现象促使科学家们开始寻找新的引力理论。
在这一背景下，爱因斯坦开始致力于探索引力的问题。
他注意到，引力作用中自由下落的物体不会感觉到自己的重力。
这启发了爱因斯坦提出等效原理：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。
三、广义相对论的诞生1915年，爱因斯坦发表了广义相对论。
这一理论的基础是狭义相对论的相对性原理和光速不变原理，以及等效原理。
它指出引力是由于物质弯曲时空而产生的，而非像牛顿理论所述的那样是通过超距作用产生的。
广义相对论的数学工具是黎曼几何，这是一种描述弯曲空间的几何学。
在广义相对论中，引力被描述为时空几何中的“曲率”。
这一理论预言了引力的红移现象、光线偏折以及水星轨道的进动等现象，这些预言后来都得到了实验验证。
四、广义相对论的验证和发展尽管广义相对论预言了很多重要的实验结果，但这一理论在提出初期并未得到广泛的认可。
部分原因是因为当时的科学界对爱因斯坦的理论感到困惑，另一部分原因是因为当时的科技水平无法精确地验证这些预言。
然而，随着科技的进步，越来越多的实验开始支持广义相对论。
1.光线偏折实验：1919年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿通过观测日全食期间太阳附近的星光方向，证实了广义相对论预言的光线偏折现象。
这一发现引起了轰动，并使广义相对论逐渐得到科学界的接受。
2.引力红移实验：在接下来的几十年里，科学家们进行了许多实验来验证广义相对论的其他预言。
如何自学广义相对论
如何自学广义相对论广义相对论是爱因斯坦创立的一种物理学理论，用于描述引力的性质和运动物体的行为。
学习广义相对论不仅需要一定的数学基础，还需要具备一定的物理学知识。
对于大多数人来说，自学广义相对论可能是一项具有挑战性的任务。
但只要掌握正确的学习方法和技巧，就能够在自学的过程中逐步理解这一复杂理论。
以下是一些可以帮助你自学广义相对论的方法和步骤：1. 建立数学基础：广义相对论是建立在高等数学基础上的理论，因此在学习之前需要掌握微积分、线性代数和张量分析等数学工具。
如果你的数学基础较弱，可以先通过自学或参加相关课程来提升。
2. 了解基本概念：在学习广义相对论之前，需要先了解一些基本概念，如时空、曲率、引力和引力场等。
这些概念在广义相对论中具有重要意义，理解它们有助于更好地理解广义相对论的原理和应用。
3. 阅读教材和参考书：选择一本系统介绍广义相对论的教材或参考书，对于自学非常重要。
可以选择一些经典的教材，如哈特尔的《引力学导论》、施温的《广义相对论导论》等。
在阅读教材时，可以结合课后习题进行巩固和实践，加深对理论的理解。
4. 参考网络资源：互联网上有许多关于广义相对论的学习资源，如教学视频、学术论文和在线课程等。
这些资源可以帮助你更直观地理解复杂的概念和推导过程。
但需要注意，选择权威可靠的资源进行学习，避免受到错误或误导性的信息。
5. 参与讨论和交流：在学习的过程中，可以积极参与讨论和交流，与其他自学者或专业人士进行交流，分享自己的疑问和理解。
这不仅有助于解决问题，还能够拓宽视野，从不同的角度理解广义相对论。
6. 实践和应用：学习理论知识的同时，也要注重实践和应用。
可以尝试通过解决问题、进行数值模拟或阅读相关研究来加深对理论的理解和应用。
7. 持续学习和深入研究：广义相对论是一门深奥的学科，不可能在短时间内完全掌握。
因此，在自学初期可以先了解其基本原理和应用，随着学习的深入，逐渐深入研究相关领域和前沿课题。
广义相对论的建立
在狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有停止他科学创造的步伐。
在1907年，当绝大部分物理学还没有理解狭义相对论所带来的物理学思想的重大革命意义时，爱因斯坦却远远超过了他同时代的物理学家，发现了狭义相对论的根本缺陷，开始了新的理论构想。
一、狭义相对论的局限性爱因斯坦发现：“在古典力学里，同样也在狭义相对论里，有一个固有认识论的缺点。
这个缺点恐怕是由E.马赫最先清楚地指出来的。
”马赫的问题时：“为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊，这是怎么一回事？”的确，按照狭义相对论，很多物理量定律在洛伦兹变换下具有协变性，因而物理定律在各个惯性系里都成立。
或者说对物理学定律而言，各个惯性系都是等效的。
但是，无论是古典力学还是狭义相对论，都不能说明为什么只有惯性系才有特殊优越的地位？惯性系又是什么？按牛顿力学，凡是与做惯性运动物体相固联的参考系就是惯性系。
但是如何确定物体在做惯性运动，最终有需仰仗一个“不动的绝对空间”，许多人，包括爱因斯坦本人都对这个问题产生了怀疑。
1922年，他在京都大学访问期间所作的《我是如何创立相对论》的讲演中，谈到1907年他对狭义相对论的想法时，他说：“当时，我对狭义相对论并不满意，因为它被严格的限制在一个相互具有恒定速度的参考系中，它不适用于一个任意运动的参考系，于是我努力把这一限制取消，以使这一理论能在更多一般的情况下讨论。
对于坚信因果关系的普遍性的爱因斯坦来说，当然不能容许惯性系与非惯性系之间这种内在不对称情况的存在。
如何来解决这个难题呢？其最根本、最自然的作法。
就是扩大狭义相对性原理的物理范围和内容。
除了惯性系这一限制外，狭义相对论的另一严重困难来自于引力，即狭义相对论与牛顿的引力公式和引力势方程不相容。
自狭义相对论提出后，许多人曾致力于检验各种物理定律在洛伦兹变换下的协变性，他们都获得了成功，但是包括爱因斯坦本人在内，都发现当把牛顿的引力理论纳入到相对论理论之中时，却遇到了明显的矛盾。
狭义相对论和广义相对论的基本原理
狭义相对论和广义相对论的基本原理狭义相对论和广义相对论是现代物理学的基本理论之一，它们解释了时间、空间、质量和能量之间的关系。
以下是对这两种相对论的基本原理的讲解。
一、狭义相对论的基本原理狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的理论，它提出了一个与牛顿力学不同的观点，即光速在所有惯性参考系中都是常数。
这一原则被称为“光速不变原理”，它是狭义相对论的核心。
基于“光速不变原理”，狭义相对论提出了以下原则：1. 所有物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
2. 物体的质量随着速度的增加而增加，速度越快，增加的质量越大。
3. 时间和空间是相对的，没有绝对的标准。
4. 能量和质量是等价的，它们之间可以相互转化。
这些原则反映了狭义相对论的基本特征，它推翻了牛顿力学中的一些假设，如时间和空间的绝对性、万有引力的绝对性等。
狭义相对论为我们提供了更加准确和完整的描述物理规律的框架，同时也为后来的广义相对论的发展提供了基础。
二、广义相对论的基本原理广义相对论是爱因斯坦在1916年提出的理论，它是在狭义相对论的基础上进一步发展而来的。
广义相对论初衷是想解释引力的本质，它基于“等效原理”提出了新的物理规律。
广义相对论的基本原理包括：1. 等效原理：自由下落的物体在惯性参考系中运动是匀速直线运动。
2. 引力不是一种真正的力，而是由物体所在空间弯曲而产生的一种现象。
3. 时间和空间的弯曲程度受到物质分布的影响。
4. 光线会沿着最短路径传播。
这些原理反映了广义相对论的基本特征，它描述了物质的引力性质和空间的几何形态之间的关系。
广义相对论证明了狭义相对论中的“光速不变原理”是任何物质和能量影响的最高速度，同时也为黑洞、宇宙学等领域的研究提供了新的工具和思路。
狭义相对论和广义相对论是现代物理学中最基本的理论之一，它们提供了理解时空的新视角和解释物理规律的新方法。
【狭义相对论】狭义相对论建立在“光速不变原理”之上，它意味着在不同的参考系中，光的速度是恒定不变的。
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。
广义相对论是如何被爱因斯坦构建出来的？
广义相对论是如何被爱因斯坦构建出来的？学过大学物理的同学都明白狭义相对论有个基础，那就是狭义相对性原理，也就是说物体的运动是相对的，其取决于参照物的选取，这一点和初中物理学是一样的。
狭义相对论和牛顿力学都对相对性原理没有异议，大家也保持了高度的一致性！中学的我们一直认为牛顿力学很完美了，基本可以解决地球上所有力学问题。
但是看似强大的牛顿力学遇见一个很简单的问题就被打趴下了。
这就是相对性原理惹的祸。
举个事例，小明现在站在路上不动，而小红驾车匀速经过了小明的旁边。
现在小明把小红作为了参照物，并认为小红静止，而自己运动了。
而小红把自己作为参照物，并认为小明在运动。
在牛顿力学中，这样的推理是完全正确的。
可倘若此刻小红紧急刹车了，小红会感受到了明显的减速，身体并冲向车窗，好像有个力拉着她冲向前方（惯性作用，这里的力就是假想的惯性力）。
那么为什么是自以为是静止的小红感受到了“力”，而不是自以为是运动的小明感受到“力”呢？回顾一下初中参照物概念这个问题很简单，初中生都可以发问的。
即便面对如此简单的质疑，强大的牛顿力学都不能给出完美的解释。
牛顿力学这么强大的巨人也有如此脆弱的一面。
当然这个问题不仅牛顿力学解决不了，狭义相对论依旧无法解释！爱因斯坦也就是在对类似的问题深入思考后，逐步才引出了广义相对论的基本思想！在爱因斯坦所在的那个年代，人们已经知道了电场，磁场，也明白了电磁场是统一的。
电力和磁力的作用就是通过场来实现的，场就是一种物质作用到另一种物质上的中介。
因此当时大多数物理学家是不相信隔空取物这种超距作用的。
当然牛顿也一样，不过牛顿是意识不到引力作用的中介是场，因为他认为的中介是以太！我现在问大家一个问题，并给出两种不同时代的回答：分别是200年前的人的答案和1907年的爱因斯坦回答！我问你：“苹果为啥会落地，而不是往天上落”。
200年前的人认为这是因为地球有吸引力啊，这是万有引力。
如果你继续提问“万有引力是超距作用吗？”他们继续回答：当然不是啦，因为宇宙各处都充满了以太，以太是引力作用的介质。
广义相对论简史
广义相对论简史100多年前，爱因斯坦在柏林普鲁士科学院发表了四个关于广义相对论的演讲。
爱因斯坦致力于发展出一个描述引力的数学方程，他最终的引力方程至今仍然是最有影响力的发现。
下面列出了广义相对论的发现历程：1687艾萨克·牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，奠定了物理运动的数学基础。
1855西蒙·纽康观测到水星近日点的进动值为每个世纪43秒，这与牛顿万有引力计算的水星进动值存在分歧。
1873詹姆斯·麦克斯韦出版了《电磁通论》，麦克斯韦的方程统一了电学和磁学。
从麦克斯韦方程中可以推论出在空间穿行的电磁波就是光。
18793月14日，爱因斯坦在德国的乌尔姆小镇出生。
六个星期后全家迁居去慕尼黑，之后他进入了路易博德文理中文就读。
18841884爱因斯坦的父亲送了一个指南针给他，当他发现指南针总是指向固定的方向时，他被现象背后的原理深深地吸引住了。
189415岁的爱因斯坦已经掌握了微积分。
1895爱因斯坦开始思考光的本性。
同年，科学家怀疑物理学是否已经走到了尽头。
1896爱因斯坦进入了瑞士苏黎世联邦理工就读。
1898爱因斯坦的老师们不愿意教他关于麦克斯韦的理论，于是他开始翘课自学，阅读当时最伟大科学家的论文。
1901爱因斯坦的好朋友格罗斯曼为他在专利局找了一份工作。
闲暇时间，他开始思考时间、空间和光。
1905爱因斯坦的奇迹年。
他发表了四篇开创性的论文，其中包括了狭义相对论。
狭义相对论重新塑造了我们对时空的理解。
1907爱因斯坦意识到，如果一个人从房子的屋顶自由下落，他将感受不到自身的重量。
他开始思考引力和加速度是否是等效的，也就是等效原理。
等效原理是他最快乐的思想。
1913爱因斯坦和格罗斯曼合作发表了一篇关于引力理论的论文，他们称该理论为：Entwurf理论。
1915大卫·希尔伯特出席了爱因斯坦在哥廷根的讲座，第一次听到了有关广义相对论的概念，并开始构建自己的想法。
191510月，爱因斯坦发现了Entwurf理论的缺陷。
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在狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有停止他科学创造的步伐。
在1907年，当绝大部分物理学还没有理解狭义相对论所带来的物理学思想的重大革命意义时，爱因斯坦却远远超过了他同时代的物理学家，发现了狭义相对论的根本缺陷，开始了新的理论构想。
一、狭义相对论的局限性爱因斯坦发现：“在古典力学里，同样也在狭义相对论里，有一个固有认识论的缺点。
这个缺点恐怕是由E.马赫最先清楚地指出来的。
”马赫的问题时：“为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊，这是怎么一回事？”的确，按照狭义相对论，很多物理量定律在洛伦兹变换下具有协变性，因而物理定律在各个惯性系里都成立。
或者说对物理学定律而言，各个惯性系都是等效的。
但是，无论是古典力学还是狭义相对论，都不能说明为什么只有惯性系才有特殊优越的地位？惯性系又是什么？按牛顿力学，凡是与做惯性运动物体相固联的参考系就是惯性系。
但是如何确定物体在做惯性运动，最终有需仰仗一个“不动的绝对空间”，许多人，包括爱因斯坦本人都对这个问题产生了怀疑。
1922年，他在京都大学访问期间所作的《我是如何创立相对论》的讲演中，谈到1907年他对狭义相对论的想法时，他说：“当时，我对狭义相对论并不满意，因为它被严格的限制在一个相互具有恒定速度的参考系中，它不适用于一个任意运动的参考系，于是我努力把这一限制取消，以使这一理论能在更多一般的情况下讨论。
对于坚信因果关系的普遍性的爱因斯坦来说，当然不能容许惯性系与非惯性系之间这种内在不对称情况的存在。
如何来解决这个难题呢？其最根本、最自然的作法。
就是扩大狭义相对性原理的物理范围和内容。
除了惯性系这一限制外，狭义相对论的另一严重困难来自于引力，即狭义相对论与牛顿的引力公式和引力势方程不相容。
自狭义相对论提出后，许多人曾致力于检验各种物理定律在洛伦兹变换下的协变性，他们都获得了成功，但是包括爱因斯坦本人在内，都发现当把牛顿的引力理论纳入到相对论理论之中时，却遇到了明显的矛盾。
爱因斯坦的一个重要观点，是相信世界的内在和谐，追求理论的逻辑统一。
运用狭义相对论理论，爱因斯坦已经把电场与磁场，质量和能量统一起来。
并使牛顿力学与麦克斯韦方程协调起来。
接着爱因斯坦就想把引力现象纳入到狭义相对论的理论体系中去。
威力做到这一步，首先必须用场的表达式来描述引力现象。
因为狭义相对论既然取消了绝对同时性观念，那么引力的超距作用也就不可能继续保留了。
开始，爱因斯坦认为寻找一个描述引力场变化的结构定律也许并不难。
他设想：最简单的作法当然是保留拉普拉斯的引力标量势，并且用一个关于时间的微分量，以明显的方式来弥补足泊松方程。
是狭义相对论得到满足。
引力场中质点的运动定律也必须适应狭义相对论。
”然而爱因斯坦的研究结果是令人怀疑的。
因为，依照古典力学物体在竖直引力场中的竖直加速度，同该物体的速度的水平分量无关。
因而，在这样的引力场里，一个力学体系或者它的重心的竖直加速度的产生，同它内在的动能无关。
但是在1905年爱因斯坦根据狭义相对论已经得出：“物体的质量是它所含能量的量度。
”根据这个结论，物体的惯性质量将随其能量而改变，因此落体的加速度将同它的水平速度或者该体系的内能有关。
“这不符合这样一个古老的实验事实：在引力场中一切物体都具有同一加速度。
”这一段尝试是爱因斯坦相信：“在狭义相对论的框子里，最不可能有令人满意的就是引力理论的。
”关于这一认识，爱因斯坦在京都大学的讲演中说：“一个最令人不满意的事是，尽管惯性和能量之间的关系在狭义相对论中已经明确的解决了，但是惯性与重力或引力场内的能量关系并不清楚。
我感到这个问题不可能在狭义相对论的框架中解决。
”值得称道的是，对狭义相对论提出上述两点质疑的，正是提出并建立狭义相对论的爱因斯坦本人。
他以敏锐的洞察力及坚持不懈的探索精神，抓住了这两个致命的环节，一个更为深刻与普遍的广义相对论由此诞生。
二、两个基本原理的提出当爱因斯坦认识到狭义相对论理论框架中容纳不下引力理论时，就决心突破狭义相对论的局限，寻找解决引力问题的新途径。
在1907年发表的论文《关于相对论原理和由此得出的结论》中，就初步提出了作为广义相对论的两个基本原理：等效原理，广义相对性（广义协对性）。
广义相对论的全部理论建立在等效原理的基础上，而等效原理的提出又使狭义相对论的两个致命问题一揽子得到了解决。
爱因斯坦思考问题的方法既朴实又奇特。
狭义相对论两个难题的解决，是从一个物体下落问题开始的，一个广为人知的古老实验事实是，在引力场的任意一点上，一切物体都具有统一加速度。
爱因斯坦注意到，这一现象正是反映了惯性质量和引力质量的等效性。
这一等效性正是作为广义相对论理论基础的等效原理的一种表述。
其实，牛顿早已注意到这两种质量的等效性。
为了验证他们的等同，牛顿设计并完成了一个定量实验。
他利用两个摆线长都是3米的单摆，摆锤都是木盒子。
其中一个装满木头，另一个放置同样质量的金子。
然后它们以同样摆角摆动起来。
实验证明，它们的周期完全相同。
当把金子换成质量相同的其他任何物品时，情况也完全相同。
就这样，牛顿在千分之一的精度内，验证了两个质量的等同性。
1895年，匈牙利物理学家厄缶用扭秤做了一个精密的实验，证明了对于各种物质，引力质量和惯性质量的比值在10-9内是一个常数。
厄缶实验如图所示：40厘米长的横杆两端分别挂以重物A 和重物B ，杆中的中点悬在细金属丝上，平衡时 ： )()(``g m g m L g m g m L iB Bg B iA gA A -=-式中g 为重力加速度，gz `是由地球自转而引起的惯性离心加速度的垂直分量，LA 与LB 分别为物体A 、B 到悬点的力臂。
另外，有地球自转产生的惯性力还可能引起扭秤绕竖直轴转动，其转矩为`x iB B x iA A g m L g m L T -=式中g`z 为惯性离心加速度的水平分量。
利用前述平衡条件，可导出：]))((1[1```----=z iA gA x iA gA x iA A g g m m g g m m g m L T 由于地球上g`z <<g,所以可得：][`gBiB gA iA z gA A m m m m g m L T -=可见，转矩T 有两种质量的比值m i /m g 决定。
如果二者比值相等，则T=0，扭秤就不动。
厄缶对于木质和铂质的两种物体进行实验，在10-9的精度内未发现扭秤转动，可见惯性质量和引力质量之比在10-9精度内是一个常数。
适当选取单位，一个物体的惯性质量就等于引力质量。
关于两个质量的相等，爱因斯坦认为不是偶然的巧合，在其背后，必然有重要的原因尚未被人察觉，1999.6.23，爱因斯坦在英国格拉斯哥大学作了《广义相对论的来源》的报告，他说：“在引力场中一切物体都具有同一加速度。
这条定律也可以表述为惯性质量和引力质量相等的定律，他当时就使我完全认识到它的全部重要性。
我为它存在感到极为震惊，并猜想其中一定有一把可以更加深入了解惯性和引力的钥匙，甚至在我还不知道厄缶的令人钦佩的结果之前—如果我没有记错，我是到后来才知道这个实验的—我也未曾认真怀疑过这定律的严格可靠性。
”有了这把钥匙，使爱因斯坦有了解决这个问题的线索。
1922年，他在京都大学所作的《我是如何创建相对论的？》报告中说：“这个问题的突破点在某一天突然就找到了，那天我坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪出一个念头：如果一个人正在自由下落，也绝不会感觉到他有重量。
我吃了一惊，这个简单的想象给我的印象太深了。
它使我由此得到了新的引力理论。
”爱因斯坦通过这一假象实验判断，在自由下落的升降机里，由于升降机以及其中的所有仪器都在以一个加速度下落。
因而无法判断引力场的效应。
在自由下落的升降机中，惯性力和引力彼此抵消，由于消除了引力，内部的观察者将可以应用狭义相对论原理讨论任何的物理问题，由此，在引力与惯性力局部等效的前提下，爱因斯坦考察了两个彼此做加速运动的参考系∑1与∑2，令∑2静止，∑1以加速度γ相对∑2运动，此时处在强度γ的均匀运动场中，两个参考系内的物理定律完全相同，没有任何方法判断它们是否在相对做加速运动。
由此爱因斯坦终于得出“引力场同参考系的相当的加速度在物理上完全等效”这一著名的等效原理。
爱因斯坦对等效原理的认识，也有一个不断加深和完善的过程。
在1907年的论文《关于相对论原理和由此得出的结论》中，他还称之为“假设”，表述为“引力场同残凯西的相当的加速度在物理上完全等价”直到1912年，他才把它正是成为“等效原理”并把它进一步推广到非匀加速运动中去。
但是1907年对等效原理的阐述是不够精确的，因为它只是试图用一个均匀加速参考系来代替一个均匀的引力场，而任何真实的引力场都是非均匀的。
鉴于上述问题的存在，1912年爱因斯坦将等效原理进一步精确化，他在与M.格罗斯曼合写的论文《广义相对论和引力理论纲要》中，把等效原理阐述为“在物理学上，（在无限小的体积中均匀的）引力场完全可以代替加速运动的参考系。
”对等效原理的这一阐述明确了等效原理在空间上的局域性。
着虽然比1907年得到阐述前进了一步，加深了对等效性的认识。
然而这种说法容易吧等效原理的区域性误解为牛顿空间的区域性，同时也易于和经典力学中的达兰贝尔原理混淆。
所以爱因斯坦在1916年的论文《广义相对论的基础》中又引入了下述假定：“对于无限小的思维区域，如果坐标选择的适当，狭义相对论的基本思想是：等效原理适用于思维无限小空间区域内，可以取一个加速参考系消除引力场的影响，这样一个参考系后来就称为局部惯性系。
爱因斯坦特别强调了等效原理的重要性，1918年他在《关于广义相对论的原理》的论文指出：等效原理构成了整个理论的出发点。
他写道：“无疑，只要人们坚持理论的基本思想，就不能抛弃它。
”可见等效原理在广义相对论中的重要地位。
爱因斯坦所提出的等效原理，将惯性系自然地推广到加速系，这就需要推广相对性原理。
1907年的论文《关于相对性原理和由此得出的结论》中，爱因斯坦写道：“迄今为止，我们只把相对性原理，即认为自然规律同参考系的运动状态无关这一假设应用于非加速参考系。
是否可以设想，相对性原理对于相互相对做加速运动的参考系也仍然成立？”而在提出“引力场同参考系的相当的加速度在物理上完全等价”的假设以后，紧接着他就指出：“这个假设把相对性原理扩展到参考系均匀加速平移运动的情况。
”必须指出的是，爱因斯坦在这篇论文中对相对性原理的推广，还局限在：“均匀加速平移运动”的情形，还不能算作是广义协变原理。
广义协变原理要求在任意坐标系变换下，物理定律都具有相同的形式。
实际情况是，直到1913年，爱因斯坦尚未明确的坚持广义协变原理，但又觉得应该有广义协变原理。
正是这种矛盾状态促使爱因斯坦进行了更深入的研究。