八、 广义相对论的时空观
相对论时空观解析
相对论时空观解析相对论时空观是广义相对论的基础。
它描绘了一个更为精确的时空观，含有相对性和弯曲性的概念。
在相对论时空观中，时间和空间不再是客观的互相独立的存在，它们相互依存、互为影响，并且受到质量和能量的影响而发生变化。
这篇文章将从相对性和弯曲性两个方面介绍相对论时空观。
相对性相对性是相对论时空观的重要基础之一。
它反映了自然界的客观规律，即所有的物理各参与者都是平等的，任何物质物理规律都应该是相对不变的。
这意味着，不管在任何参考系中，物理规律的本质都是不变的。
这种相对不变性只有在相对论时空观中才能得到完美的展示。
在相对论时空观中，一切物理实验都是相对于参考系的。
这是因为物理实验的结果取决于相对速度、时间的流逝等因素。
相对性原理的含义就是，在一切惯性参考系中，物理规律是相同的，物理实验的结果也是相同的。
这就是相对性原理的基本思想。
弯曲性相对论时空观中另一个重要的概念是弯曲性。
根据广义相对论理论，物质会使空间发生弯曲，而被弯曲的空间又会影响物质的运动。
这种相互影响在天文学、黑洞物理学等领域得到了广泛应用。
广义相对论理论中的弯曲性是指物体在弯曲的时空中沿着最短路径运动的特性。
这条路径被称为测地线，是空间-时间中的一条最优路径。
由于物体运动的路径是最短的，因此它受到的引力最小化。
在广义相对论理论中，物体沿着测地线运动的特性就成为了自由下落。
总结相对论时空观是一种新的时空观，这个时空概念改变了人们以前的想象，具有了两个新的特质：相对性和弯曲性。
相对性强调了物理规律的本质是不变的，而弯曲性则解释了物体运动的新特性。
这使得相对论时空观成为了现代物理研究的基础，也是实现物理学和天文学各领域的新发现和突破的必要基础。
相对论时空观解析
相对论时空观解析
相对论时空观是指爱因斯坦的特殊相对论和广义相对论中对时空的理解。
这一理论从根本上改变了牛顿的经典力学中关于时间和空间的认识。
特殊相对论中，爱因斯坦提出了“光速不变原理”，即光速在任何运动状态下都是不变的。
这一原理颠覆了以往对时间和空间的绝对观念，提出了“相对论时空观”。
在相对论中，时间和空间不是分离的，而是构成一个“时空”的整体。
同时，因为物体的运动状态会影响时空的结构，所以时空也是相对的。
广义相对论进一步丰富了相对论时空观。
它将万有引力理解为时空的弯曲，即物体和物质会影响周围的时空结构，造成时空的扭曲。
这种扭曲进一步影响其他物体的运动状态和运动轨迹，使得牛顿力学中的引力概念受到了颠覆。
相对论时空观被广泛应用于现代物理学的各个领域，包括天文学、高能物理学、量子物理学等。
它对现代科学的发展产生了深远的影响。
同时，相对论时空观也具有哲学上的启示意义，使我们对时间、空间和世界本质的理解有了更为深刻的认识。
6-2 广义相对论时空观
比较
ag
mI g
惯性力
考察
mg g
引力
相对观察者静止的物体的运动 但各自分析的原因不同
运动规律相同 惯性力与引力的 力学效应相同
mI m g
第六章 广义相对论简介
爱因斯坦假想实验二
6-2 广义相对论时空观
引力场中某一时空
远离引力场的自由空间
点自由下降电梯
匀速运动的电梯
mI g
mg g
g (r )
物理规律在一切参考系中形式相同 小结 广义相对论基本原理 1)等效原理 2)相对性原理 3)马赫原理 Mach principle
6-2 广义相对论时空观
时空性质由物质及其运动所决定
第六章 广义相对论简介
广义相对论的理论框架 1)物理规律中引入引力作用 等效原理 加速度引力
6-2 广义相对论时空观
第六章 广义相对论简介
6-2 广义相对论时空观
v d 1 2 dt0 c
d 1 v2 1 2 c dx0
2
v
S0 S´
弱引力场牛顿近似 飞来惯性系S0到达 r 处 的速度由下式定出
1 2 GMm mv 0 2 r
2GM v r
2
第六章 广义相对论简介
结论： 惯性力可以“六章 广义相对论简介
结论 在这样两个参考系中得到的力学规律相同 在引力场中的某一时空点自由下落的参考系
6-2 广义相对论时空观
和惯性系等效
讨论
局域等效
g
以该点的
引力强度 自由降落
等效并非等同
远离引力 场的
自由空间
第六章 广义相对论简介 3、广义相对论的等效原理
时空观在物理学发展过程中的演变
时空观在物理学发展过程中的演变时空观在物理学发展过程中经历了重大的演变。
以下是一些重要的时空观的演变：
1. 古典物理时空观：在古典物理学中，时空被视为绝对的和独立存在的。
牛顿力学中的绝对时空观认为时间和空间是独立于物质的存在，具有确定的、绝对的和普遍适用的特性。
2. 相对论时空观：爱因斯坦的相对论引入了相对时空观。
根据狭义相对论，时空是相互关联的，观察者的运动状态会影响时间和空间的测量结果。
广义相对论则将引力视为时空弯曲的结果，使得时空的几何性质与质量和能量的分布有关。
3. 量子力学时空观：量子力学对时空观产生了进一步的影响。
根据量子力学，粒子的位置和动量无法同时精确确定，存在不确定性原理。
此外，量子纠缠现象表明，两个或多个粒子之间的相互作用并不依赖于空间距离，引发了对非局域性的思考。
4. 弦理论和量子引力时空观：弦理论是一种试图统一量子力学和引力的理论。
它提出了时空维度的额外维度存在，并认为我们所经验到的四维时空只是弦振动的低能近似。
弦理论对时空的结构和性质提出了全新的观点。
总的来说，时空观在物理学发展中经历了从绝对时空观到相对时空观，再到量子力学和弦理论的时空观的演变。
这些演变反映了对于时空性质的不断深入理解和超越传统观念的努力，推动了物理学的发展和对于宇宙本质的认知。
1/ 1。
广义相对论
广义相对论广义相对论目录百科名片广义相对论（General Relativity），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。
目录概况广义相对论是阿尔伯特●爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。
广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立的。
在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相关系，其关系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。
从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。
广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。
不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。
爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。
有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。
光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。
广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的引力波观测计划的目标。
此外，广义相对论还是现代宇宙学膨胀宇宙论的理论基础。
广义相对论的时空观
目录
一、人类理性精神的圣典 二、人类思维的自由想象 三、时空观的转换
一、人类理性精神的圣典
欧几里得《几何原本》是世界名著，在各 国流传之广、影响之大仅次于基督教的 《圣经》，是人类理性精神的圣典。 《几何原本》在训练人的逻辑推理思维方 面，比亚里土多德的任何一本有关逻辑的 著作影响都大得多。在完整的演绎推理结 构方面，这是一个十分杰出的典范。欧氏 几何是推理的典范,其特点是,以简驭繁,以少 胜多. 全书共分13卷。包含5条“公理”、 5条“公设”、23个定义和467个命题。
一、人类理性精神的圣典
欧几里得的五大公设： 公设一：任两点必可用直线连接； 公设二：直线可以任意延长； 公设三：可以任一点为圆心,任意长为半径 画圆； 公设四：所有的直角皆相同； 公设五：过线外一点,恰有一直线与已知直 线平行； 其中公设五又称之为平行公设,它不如其它 公设简洁,看起来倒更像个命题.
谢谢聆听！
l1 和 l2。在这个模型中，我们同样发现，三角形的内角
和亦不会等于 180°。
二、人类思维的自由想象
庞加莱 (Poincare ﹐Jules Henri) 1854年 4月 29日生于法国南锡(Nancy)；1912年 7 月17 日卒于巴黎。 数学﹑物理学﹑天体力学﹑ 科学哲学。
二、人类思维的自由想象
三、时空观的转换
大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论
三、时空观的转换
爱因斯坦广义相对论最后一块拼图神秘引力波
思考题
1．欧氏几何、罗氏几何和黎曼几何分别适合现实空间 的哪些情形？ 2．爱因斯坦广义相对论的提出，是基于哪一种非欧几 何？这种非欧几何为相对论提供的是知识基础还是认识 的哲学观的改变？
时空观的革命-------相对论
爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）
理论物理学家。创立了狭义相对 论和广义相对论。他用光量子理论说 明了光电效应。提出固体热容量的量 子理论以及玻色 — 爱因斯坦的量子统 计法。晚年致力于宇宙学和统一场的 研究。 相对论 量子力学
近代物理两大理论支柱
狭义相对性的基本原理：
1、狭义相对性原理：在所有惯性系中，物理 物理 定律的表达形式都相同。 2、光速不变原理：在所有惯性系中，真空中 的光速恒为c。
符合这两条原理的变换是洛仑兹变换
意义: 1. Einsein的理论是Newton的理论的发展 一切物理规律 力学规律
取低速极限下，相对论力学的结果应与牛顿力学一致
t t2 t1 lu / c
3
l 10 m, 500 nm, u 3 104 m/s
仪器可测量精度
u2 当仪器转动 p / 2 后，引起干涉条纹移动 N 2l 2 c 2Δ
u Δ ct l 2 c
u
N 0.4
N 0.01
实验结果: N 0 迈克耳孙— 莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。
(1)有绝对静止系与绝对运动系 (2)可利用光学实验测出惯性系的绝对运动速度 (3)一切惯性系等价的相对性原理对光学不成立
经 典 物 理 学 的 基 本 困 难
电磁学规律与伽利略变换的矛盾：
经典力学满足的相对性原理不是普遍原理?
电磁学理论不正确，必须加以修正? 方案：保留电磁学规律，推广相对性原理 ，修正经典力学。
x x ut y y z z t t K K
z
y ut Ｋ o
15-6 广义相对论简介
15-6 广 义 相 对 论 简 介
第 十 五 章 狭 义 相 对 论
广义相对论时空观： 时空是由物质分布状况决定的引力场的结构性质， 只有在无引力场存在时，时空才是平直的（欧几里 德空间），有引力场存在时，时空是弯曲的（黎曼
间），引力场强度分布与空间曲率分布一一对应。
第 十 五 章 狭 义 相 对 论
比 较
经典惯性系 自身无加速度 是理想参考系
局部惯性系 自身有加速度，但惯性力消 除了引力影响 能够实际操作，在局部范围 实现
15-6 广 义 相 对 论 简 介
等效原理：对于一切物理过程，引力场与匀加速运 动的参考系局部等效，即引力与惯性力局部等效。
或：在引力场中的任一时空点，总能建立一个自 由下落的局部惯性系，其中狭义相对论确立的规 律全部有效。
－－－薛定谔（奥地利.1887－1961 ）
四、广义相对论的可观测效应和实验验证
第 十 五 章 狭 义 相 对 论
1、引力使光线偏转
a a
a
a
t1 t 3
15-6 广 义 相 对 论 简 介
t2 t4
t1
t2
t3
t4
升降机
在加速运动的升降机内的观察者看到，光线相对 于升降机走弯曲的路线。由等效原理可知，加速运动 的参考系与引力场等效，因此，可以得出：光线在引 力场中要发生偏转。
15-6 广 义 相 对 论 简 介
三角形内角和
测地线(短程线) : 空间两点间距离最短的路径
判断空间是否弯曲的方法：测圆周长与直径的比
第 十 五 章 狭 义 相 对 论
C
D
15-6 广 义 相 对 论 简 介
平面
C D
相对论的时空观课件PPT
广义相对论中的时空曲率
时空曲率的概念
在广义相对论中，物质和能量会导致时空发生弯曲，这种弯曲被 称为时空曲率。
时空曲率与引力的关系
时空曲率决定了物体在引力场中的运动轨迹，引力则被视为是物体 沿着时空曲率运动的趋势。
时空曲率的应用
时空曲率在解释行星轨道、光线偏折、引力透镜效应等现象中起着 关键作用，也是构建宇宙模型的重要基础。
相对论在通信领域的应用
1 2
全球定位系统（GPS） 相对论效应对GPS定位精度至关重要，需要考虑 时间膨胀和长度收缩效应，以确保准确的导航。
深空通信
相对论在深空通信中发挥了关键作用，解释了无 线电信号在太空中的传播延迟现象。
3
量子通信
相对论对量子通信的发展产生了影响，解释了量 子纠缠等现象，为未来的通信技术提供了新的可 能性。
相对论的时空观课件
目录
• 相对论的时空观简介 • 相对论的时空观的基本原理 • 狭义相对论的时空观 • 广义相对论的时空观 • 相对论的时空观的实验验证 • 相对论的时空观的应用
01
相对论的时空观简介
什么是相对论的时空观是 一个统一的整体，称为时空。
光速不变原理
总结词
光速不变原理是指在任何惯性参照系中，光在真空中的传播速度都是恒定的， 约为每秒299,792,458米。
详细描述
光速不变原理是相对论的重要基石之一。它表明光速是一个绝对常数，不依赖 于光源或观察者的运动状态。这一原理排除了超距作用的可能性，并强调了时 间和空间相对性的重要性。
等效原理
广义相对论中的引力透镜效应
引力透镜效应的概念
当光线经过引力场时，由于时空曲率的作用，光线会发生弯曲，形 成像透镜一样的效果，称为引力透镜效应。
广义相对论_第1章
第一章狭义相对论1.1 经典物理学的时空观时间和空间是物质的基本属性，如果我们仔细分析一下这两个概念就会发现，时间概念来自于事物运动变化的顺序性；空间概念则来自于物质实体的广延性。
显然，没有物质的存在，就不会有抽象的位置排列、运动和变化，时间和空间的概念也就失去了存在的前提了。
可是，20世纪之前的经典物理学（牛顿力学）却认为时间和空间与运动着的物质没有任何联系，它们是先验地存在的。
只是在建立了相对论以后，人们才认识到时间和空间与运动着的物质密切相关。
经典时空观首先由牛顿提出，在他1687年发表的名著《自然哲学的数学原理》中，对绝对时间和绝对空间是这样表述的：“绝对的、真正的、数学的时间，本质上是一种与外界物体无关的匀速流动。
”“绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的、不动的。
”因此，经典时空观又叫牛顿时空观，或者绝对时空观。
有了绝对空间，那么惯性系的定义就水到渠成了，只要相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系，就是惯性参考系。
从操作的角度，人们无法找到精确的惯性系，只能说地球是一个较好的、常用的惯性系，太阳系是一个更好的适用惯性系，而FK4系是目前所使用的最好的实用惯性系，它选取1535颗星体作为一个体系，把这个体系的平均不动的状态作为参照物。
1.1.1 伽利略变换经典时空观认为时间、空间独立无关，具体反映在不同惯性系之间的变换关系上，就有所谓的伽利略变换。
如图1-1-1，设S和'S是两个惯性参考系，取x轴沿两者的相对速度方向，并且开始时两坐标系的原点重合。
图1-1-1 惯性参考系和伽利略变换牛顿力学告诉我们，此时固连在两个参考系上的坐标系之间应当存在如下的变换关系：.',',','t t z z y y vt x x ===-= （1-1-1）由上面的伽利略变换，很容易得到如下两个结果：,','x x t t ∆=∆∆=∆ （1-1-2）这意味着时间间隔和空间间隔分别与坐标系的选择无关，也就是和物体的任意运动无关，时间和空间在牛顿时空的框架下都是绝对的。
相对论的基本原理和相对论时空观
相对论的基本原理和相对论时空观相对论是一种物理学理论，由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期发展而来。
它研究的是运动物体之间的相对关系，而不是单个物体本身的性质。
相对论提出了两个基本原理，即狭义相对论和广义相对论，以及相对论时空观。
狭义相对论是相对论的最初版本，它基于两个基本原理：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理认为自然界的物理定律应该在不同惯性参考系中以相同的方式运行。
也就是说，实验结果不取决于观测者的运动状态。
这个原理挑战了牛顿力学的绝对时空观，提出了一个新的时空观：时空是相对的，取决于观察者的观测框架。
光速不变原理指出光在真空中的传播速度是恒定不变的，不受观测者的运动状态的影响。
这个原理对于当时的人们来说是非常奇特和新颖的，因为按照经典力学的观点，运动状态应该会影响光的传播速度。
爱因斯坦通过对光速不变原理的研究，提出了一种全新的时空观：光速不仅是恒定的，而且是运动绝对极限。
狭义相对论还提出了另一个重要的概念，即相对论效应。
由于运动速度接近光速时，时间和空间会发生相对论性的变化。
1.长度收缩：当物体以接近光速的速度运动时，会出现长度收缩的现象。
这意味着物体的长度在静止参考系中是不同的。
这是因为光的传播速度是恒定不变的，当物体运动时，光交汇在观察者的位置时，时间会相对于静止参考系变慢，导致物体的长度在静止参考系中看起来变短。
2.时间膨胀：当物体以接近光速的速度运动时，时间会相对于静止参考系变慢。
这意味着在一个运动的物体上，时间流逝的速度较慢。
这个相对论效应被称为时间膨胀。
3.同步效应：在相对论中，同步不再是绝对的。
当物体以不同的速度移动时，它们的时间同步会因为相对速度的不同而变得不同。
这一效应在卫星导航系统中有很大的应用。
广义相对论是相对论的扩展版本，它基于两个基本原理：等效原理和广义相对性原理。
等效原理认为惯性质量和重力质量是等效的，即受到相同的外力时，物体的运动是相同的。
这个原理提供了解释为什么物体会受到重力的吸引的机制。
高一物理相对时空观知识点
高一物理相对时空观知识点相对时空观是现代物理学的重要基础之一，它给我们提供了一种全新的视角来理解宇宙的运行规律。
在高一物理学习中，我们将接触到一些与相对时空观有关的知识点，本文将围绕这些重要知识点展开讨论。
1. 狭义相对论狭义相对论是相对时空观的基础，它是由爱因斯坦于20世纪初提出的。
狭义相对论的核心内容包括：相对性原理、光速不变原理以及洛伦兹变换等。
相对性原理告诉我们，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的；光速不变原理则指出，光在真空中的传播速度是恒定不变的。
洛伦兹变换则是用来描述时间、空间在不同参考系中的相对关系。
2. 时空间隔与因果关系在相对时空观中，时空间隔是衡量事件在时空中的距离的一种度量方式。
时空间隔包括时间间隔和空间间隔两个方面。
时间间隔是指两事件在时间上的间隔，空间间隔则是指两事件在空间上的间隔。
根据时空间隔的正负性，我们可以判断两事件之间的因果关系，即哪个事件是另一个事件的因果。
3. 引力与广义相对论广义相对论是相对时空观的进一步发展，在描述引力时提供了一种新的解释方式。
相对于牛顿的经典力学理论，广义相对论将引力解释为时空的弯曲效应。
爱因斯坦场方程给出了描述弯曲时空的数学表达式，通过求解这些方程可以得到物体在引力场中的运动轨迹。
4. 时间的延缓与空间的收缩由于狭义相对论的影响，时间和空间在相对论效应下会发生变化。
根据相对论的时间膨胀效应，速度越快的物体经历的时间就会越慢，这意味着在高速运动中时间会相对地延缓。
而空间收缩效应则是指，在高速运动中，物体在运动方向上的长度会相对缩短。
5. 光的相对论效应光的相对论效应是狭义相对论的重要内容之一。
根据光速不变原理，无论观察者以何种速度运动，其测得光速都是不变的。
这就导致了一些奇特的现象，比如光钟效应和光行差效应。
光钟效应指的是观察者与光钟之间的相对速度影响了对光钟走动速度的测量，而光行差效应则是因为观察者与光的传播方向的夹角不同而导致观察到的光方向有所偏移。
相对论时空观知识点总结
相对论时空观知识点总结相对论时空观是现代物理学中的重要理论之一，由爱因斯坦提出，它彻底改变了我们对时间和空间的传统认知。
下面我们来详细总结一下相对论时空观的主要知识点。
一、狭义相对论时空观1、相对性原理狭义相对性原理指出，物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
这意味着不存在一个绝对静止的参考系，所有的惯性参考系都是平等的。
2、光速不变原理真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，其大小约为299792458 米/秒。
无论光源和观察者的相对运动状态如何，观察者所测量到的光速始终保持不变。
3、时间膨胀当一个物体相对于观察者以高速运动时，观察者会发现运动物体上的时间流逝变慢了。
这种时间膨胀效应可以用时间膨胀公式来描述：＼＼tau ＝＼frac{t}｛＼sqrt{1 ＼frac{v^2}｛c^2}｝｝＼其中，＼（＼tau\）是运动物体上的时间间隔（固有时），＼（t\）是观察者测量到的时间间隔，＼（v\）是物体的运动速度，＼（c\）是真空中的光速。
4、长度收缩同样，当物体以高速运动时，其长度在运动方向上会发生收缩。
长度收缩公式为：＼L ＝ L_0 ＼sqrt{1 ＼frac{v^2}｛c^2}｝＼其中，＼（L\）是观察者测量到的运动物体的长度，＼（L_0\）是物体静止时的长度。
5、同时的相对性在一个惯性参考系中同时发生的两个事件，在另一个惯性参考系中可能不是同时发生的。
这取决于观察者的相对运动状态。
二、广义相对论时空观1、等效原理等效原理是广义相对论的基本原理之一。
它指出，在局部范围内，引力和加速度是等效的。
也就是说，一个在引力场中自由下落的参考系与一个没有引力但具有加速度的参考系是无法区分的。
2、时空弯曲广义相对论认为，物质和能量会使时空发生弯曲。
大质量的物体周围会形成时空的“凹陷”，其他物体在这个弯曲的时空中运动，就会表现出受到引力的作用。
3、引力红移当光线从一个引力场较强的区域传播到引力场较弱的区域时，其频率会降低，波长会变长，这种现象称为引力红移。
广义相对论的时空观
广义相对论是爱因斯坦于1915年提出的一种物理理论，用于描述引力的工作方式和物
质与空间的相互作用。
广义相对论的时空观有以下几个特点：
1.时空的曲率：广义相对论的核心概念是时空的弯曲。
根据广义相对论的观点，物质和能量会使时空产生弯曲，而这种弯曲会影响物体的运动和引力的传播。
物体在受到引
力作用下运动的路径并不是直线，而是沿着时空的曲线运动。
2.时空的统一：广义相对论将时空视为一个整体，称为时空维度。
在传统的牛顿力学中，时间和空间被视为独立的概念，而在广义相对论中，时间和空间被统一起来。
时空被
认为是弯曲的四维连续结构，物体的运动在其中被描述为沿着曲线在时空中移动。
3.引力的几何表述：广义相对论采用了几何的方式来描述引力。
根据爱因斯坦的理论，物体在弯曲的时空中沿着最短路径运动，这个路径被称为测地线。
而引力被解释为物
质和能量的存在使时空弯曲，物体在时空中的自由运动表现为沿着弯曲时空的测地线
运动。
4.相对性原理：广义相对论遵循相对性原理，即物理定律在所有惯性参考系中都应该成立。
相对性原理表明物理规律不受惯性系的选择而变化，而是与参考系的选择无关的。
广义相对论将引力纳入了相对性原理的框架，并提供了一种统一的描述引力的方法。
综上所述，广义相对论的时空观将时空视为弯曲的四维连续结构，物质和能量使时空
产生曲率和弯曲，引力通过时空的曲率来描述，而运动物体在时空中沿着最短路径运动。
这一时空观在解释引力和广义相对论的其他现象中起到了关键作用。
广义时空相对论
广义时空相对论概述早在1908年，在物理学急剧发展的浪潮中，列宁就一针见血地指出：“……一般自然科学家以及物理学这一专业部门中的自然科学家，极大多数都始终不渝地站在唯物主义方面。
但也有少数新物理学家，在近年来伟大发现所引起的旧理论的崩溃的影响下，在特别明显地表明我们知识的相对性的新物理学危机的影响下，由于不懂得辩证法，就经过相对主义而陷入了唯心主义。
……（参见《唯物主义与经验批判主义》，列宁著，第359—360页）”尽管情况如此，尽管辩证唯物主义在各个方面已经取得了辉煌的胜利，但在当前的自然科学中，还是广泛地流行着这种主观唯心主义思潮。
例如，在科教电影《宇宙与人》一片的解说词中讲述道：“……宇宙的时空是可以改变的，一切的前提是因为宇宙中质量和能量以及速度可以转换。
……当原子核接近光速时，电子会逐渐达到它的速度极限而越转越慢，这就意味着电子的振荡变慢，生命是由电子控制，因此生命过程将被延缓，时间自然变慢。
这就意味着人类可以通过提高速度使生命的进程变慢，如果我们能把一万年当作一天来过的话，宇宙旅行当然不在话下，人类长寿的秘密，居然存在于速度之中。
”显然，这一观点是来自于爱因斯坦的狭义相对论。
按照狭义相对论：运动系上的时间坐标（t’）和空间坐标（r’）在运动的过程中会产生“洛伦兹收缩”。
根据这种所谓的“收缩”，便可演绎出“双生子佯谬”的结论。
承认洛伦兹收缩的存在，就等于承认：时间和空间不是客观实在，而是人的感性直观形式。
（参见《未来形而上学导论》，康德著，第45页）。
这就是康德和马赫的“相对主义时空观”，是地地道道的“主观唯心主义”。
我们说，假如把这些观点仅作为科学幻想来加以传播是可以考虑的，如果是把这些观点作为一部科教电影来加以宣传，那就值得商榷了。
当然了，这里我并不是说这部科教电影的编导在有意地宣扬唯心主义，而是说在流行的时空理论中广泛存在着主观唯心主义的思想倾向。
还有，这部电影把“大爆炸”的“宇宙生成论”当作一个成熟的理论来加以宣扬。
相对论的时空观
相对论的时空观相对论是现代物理学中最重要的理论之一，它提出了一种全新的时空观。
相对论的时空观与牛顿经典物理学中的时空观存在明显差异，引发了对时间和空间本质的深入思考。
本文将详细探讨相对论的时空观。
首先，相对论认为时间和空间是相互关联且不可分割的。
牛顿经典物理学中，时间和空间是分离的独立维度，而在相对论中，它们被统一成为时空。
时空构成了我们所处的宇宙，它具有弯曲、伸缩和相对性等特性。
相对论主张，时空不再是一个静态的背景，而是与物质和能量紧密联系的动态载体。
其次，相对论提出了时空的弯曲概念。
爱因斯坦在广义相对论中指出，质量和能量会弯曲时空。
这种弯曲效应使物体在弯曲时空中行进时，呈现出与牛顿力学中不同的运动轨迹。
弯曲时空的概念在解释引力现象上具有重要意义。
牛顿力学中，引力被视为两个物体之间的相互作用力，而相对论将引力解释为时空的弯曲效应。
另外，相对论还引入了时空的伸缩观念。
根据相对论，当物体的速度接近光速时，时间会相对慢下来，而长度会相对缩短。
这一现象被称为时间膨胀和长度收缩。
时间膨胀意味着，快速运动的物体相对于静止的观察者经历的时间较长。
长度收缩意味着，快速运动的物体在运动方向上的长度会比静止物体的长度更短。
这些伸缩效应揭示出了物体运动速度对时空观的影响。
最后，相对论还提出了时空的相对性原理。
根据相对性原理，物理定律在所有惯性参考系中都要成立，无论参考系之间的相对速度如何。
这意味着物理现象的规律不会因为观察者的运动状态而发生变化。
相对论的相对性原理颠覆了牛顿时空观中的绝对时间和空间概念，强调了观察者的相对性和观察参考系的重要性。
综上所述，相对论的时空观是一种全新的物理学观念，它引领了现代物理学的发展方向。
相对论认为时空是统一的、弯曲的，时间和空间不再是独立的，而是相互关联的。
相对论还探讨了时空的伸缩效应和相对性原理，深化了我们对时间和空间本质的认识。
相对论的时空观对于解释引力、物体运动以及物理现象的规律具有重要意义，它在现代物理学领域扮演着重要角色。
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8、广义相对论的时空观“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是‘固体’）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切。
人们曾设想，不依赖于主观认识的‘物理实在’是由空时（为一方）以及与空时作相对运动的永远存在的质点（为另一方）所构成（至少在原则上是这样）。
这个关于空时独立存在的观点，可以用这种断然的说法来表达：如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在”（爱因斯坦）。
目前物理思想的特点，和整个自然科学思想的特点一样，是在原则上力求完全用‘类空’概念来说明问题，力求借助于这些概念来表述一切具有定律形式的关系……完全用‘类空’概念来理解一切关系在原则上是可能的（因为‘物质’已失去了作为基本概念的地位）”——“‘物质’已失去了作为基本概念的地位。
事实上，广义相对论在主流物理学界中也是有争议的。
尤其是广义相对性原理，说一切加速坐标系都等效，就使得哥白尼的太阳中心学说与地球是世界中心的本轮均轮学说没有区别了。
福克-周培源与Einstein-因菲尔德关于是否要引入谐和坐标系的争论就是对广义相对性原理的质疑。
一般认为，以太论已被相对论否定了。
其实这是一种偏见。
Einstein本人对以太论的心态是很矛盾的，他既意识到以太的存在，又搞不清它的真面目。
1920年，他在专题演讲“以太和相对论”中曾指出：“依照广义相对论，一个没有以太的空间是不可思议的。
因为，在这样一种空间里，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此，也就没有物理意义上的空间-时间间隔。
但是，又不可认为，这种以太会具有那些为重媒质所特有的性质，也不可认为，它是那些能够随时间追踪下去的粒子所组成的，而且也不可把运动概念用于以太。
”在这里，Einstein既指出以太的存在性，又对以太的性质提出了看法：1、以太是光的传播媒介。
2、长度和时间的标准由以太决定。
3、以太不同于一般的有质量的实物（重媒质）。
4、以太不能用相对论时空观进行描述——他实际上是把以太（物理真空）描述成了四维时空连续体，而用相对论的时空观去描述相对论的四维时空连续体，好比一个人抓住自己的头发，要把自己提起来一样，不可能。
由于这种不可能，Einstein对以太只能回避。
在1938年，他与英费尔德合著的《物理学的进化》中有一段话：“我们力图发现以太的性质，但一切努力都引起了困难和矛盾。
经过这么多的失败以后，现在应该是完全丢开以太的时候了，以后也不要提起它的名字了。
我们说，空间有传播电磁波的性质。
”在这字里行间，流露了他内心的无奈。
为了应对这一无奈，他搬出了“场”的观念。
在“相对论和空间问题”一文中，他说“当笛卡尔相信他必须排除空虚空间的存在时，他离开真理并不怎么远……为了揭示笛卡尔观念的真正的内核，就要求把场的观念作为实在的代表，并同广义相对性原理结合在一起；…没有场‟的空间是不存在的。
”（《Einstein文集》第1卷，558页。
）Einstein所谓的“场”是弯曲时空的“曲率场”，这有点类似于古希腊的笔达哥拉斯学派，他们认为数（包括几何形状）才是万物的本原。
但这颠倒了数和物的关系。
通俗著作《狭义与广义相对论浅说》（1916年原版）推出第15版之际，Einstein结合对于相对论的历史性总结，把自己晚年对于时空问题的新见解及其新思路，补写到一个新的附录即附录五《相对论与空间问题》之中。
Einstein特别提出：“在这个附录中阐述了我大体上对空间问题以及对我们的空间观如何在相对论观点影响下逐渐改变的看法。
我想说明，空间—时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。
并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。
这样看来，关于‘一无所有的空间’的概念就失去了意义。
”【1】时空不是独立的存在，时空是物质的时空，时空是物质世界的表象，物质本体改变了，其表象必随其变。
空间与时间在表述物质时，各有侧重：空间侧重于表述物质相对静止的状态，时间侧重于表述物质相对变动的过程。
物质的存在是相对变动中的存在，静止是变动中相对的静止，从这一角度可以认为：物质是变动与静止的统一体，是时间和空间的统一体。
Einstein晚年通过《相对论与空间问题》回顾了人类时空观念的变化过程，委婉地指出“关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念”，“甚至在现代科学思想中也远未起到重要的作用”。
在回顾人类与原始经验相关的时空观念的变化过程时，Einstein有意将法国古典科学家笛卡儿关于一无所有的空间并不存在的见解与自己的相对论作了比较。
他强调：“笛卡儿曾大体上按下述方式进行论证：空间与广延性是同一的，但广延性是与物体相联系的；因此，没有物体的空间是不存在的，亦即一无所有的空间是不存在的。
”Einstein认为，“广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡儿的概念。
”Einstein以箱子为例，说明“我们的空间概念是同箱子联系在一起的”；但若把“箱壁的厚度缩减为零”，“就只剩下了没有箱子的空间”，即无界的空间。
这些无界空间之间关系是怎样的呢？“当一个小箱子s在一个大箱子S的全空空间中处于相对静止状态时，s的全空空间就是S的全空空间的一部分，……但是，当s相对于S运动时，这个概念就不那么简单了。
人们就要认为s总是包围着同一个空间，但其所包围的S的一部分空间则是可变的。
这样就有必要认定每一个箱子各有其特别的、无界的空间，并有必要假定这两个空间彼此作相对运动。
……现在必须记得，空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动。
”看来Einstein对当时的时空问题研究状况（20世纪50年代）不无遗憾，就此他委婉地指出，这一“观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用”。
作为现代科学之父，Einstein关于“无限多个空间彼此作相对运动”这一提法，揭示了隐含在广义相对论中的一个重要的宇宙学原理，即宏观地去理解Einstein的思路，各个无界空间是随同天体共同运动的；或者说，各类天体及其天体系统（即各不同级别的星系）实际上是带着其周围的空间一起运动的。
全面理解这一宇宙学原理，对于修正人们的宇宙观念显然具有重要意义：其一，这里延续了相对论中物质与其运动的空间是不可分割的思想，天体是运动的，天体周围的空间也是运动的；其二，这里的观点间接地肯定了彼此作相对运动的空间必然是相对闭合的，即“空间彼此作相对运动”实际上就是指不同的无界的时空之间的相对运动；其三，无界的时空之间必然存在着严格的秩序制约亦即引力界限，否则时空之间也就不会有相对运动可言了；其四，空间彼此作相对运动的动力源，来自各空间中心天体的质量作用，但由于天体质量不同，造成彼此作相对运动的时空的级别不同，因而必然会形成层层递增的时空结构。
这种时空结构是否存在着某种极限，譬如超星系团，它们是否是以更大级别的、彼此作相对运动的空间为背景？对此尚有待于观测研究。
【1】总之，关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念，迟至百年后，是到了应在现代科学思想中起到重要的作用的时候了。
Einstein晚年通过《相对论与空间问题》总结了人类有关场概念的演化历史，含蓄地指出“与依赖于坐标的‘充满空间的东西’相对立的空间是不能脱离此种‘充满空间的东西’而独立存在的”Einstein在比较牛顿理论与相对论在时空概念上的区别时，指出：时空在人们原有概念中是独立存在的，即“如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在。
理论的发展打破了这种观点。
……这个发展就是出现了场的概念……，按照场概念的历史发展看来，没有物质的地方就不可能有场存在。
”后来为了更易于解释光的传播现象，“人们感到不得不假定，甚至在一向被认为是一无所有的空间中也到处存在着某种形式的物质，这种物质称为‘以太’。
”【1】谈到历史上那场著名以太漂移的实验时，Einstein强调：“洛伦兹证明了，迈克耳逊—莫雷实验所得出的结果至少与以太处于静止状态的学说并不矛盾。
”【1】以往人们评价相对论，总不免要提到狭义相对论是以迈克耳逊—莫雷实验结果为基础提出来的，但Einstein认为并非如此。
在他看来，作为一种客观事实，否定静止以太的只能是狭义相对论：“狭义相对论揭示了一切惯性系的物理等效性，因而也就证明了关于静止的以太的假设是不能成立的。
”【1】Einstein就此指出：“因此必须放弃将电磁场看作物质载体的一种状态的观点。
这样，场就成为物理描述中不能再加分解的基本概念，正如在牛顿的理论中物质概念不能再加分解一样。
”【1】这就是说，狭义相对论在否定以太的同时也修正了场概念，即电磁场已不再是具有物质形态的物理实体了。
Einstein 晚年的说法，实际上是明确地揭示了隐含在狭义相对论中另一个重要的物理学观点：即虽然以太作为假想的场态物质不存在了，但非物理实体的亦即非物质形态的场依然存在。
然而，当Einstein指出狭义相对论的与广义相对论的空间概念差别时，他的话却有些令人费解了：“现在我们已有可能来考察一下，对空间概念要作多么大的修改才能过渡到广义相对论去。
按照经典力学以及按照狭义相对论，空间（空时）的存在不依赖于物质或场。
为了能够描述充满空间并依赖于坐标的东西，必须首先设想空时或惯性系连同其度规性质是已经存在的，否则，对于‘充满空间的东西’的描述就没有意义。
而根据广义相对论，与依赖于坐标的‘充满空间的东西’相对立的空间是不能脱离此种‘充满空间的东西’而独立存在的。
”【1】“充满空间的东西”到底指的是什么呢？在Einstein为《相对论与空间问题》添加的注脚中，可以找到这样的提法：“充满空间的东西（例如场）”。
【1】据此再来重新理解Einstein的话，也就容易找到答案了：即Einstein的用意就在于要用‘充满空间的东西’的提法，来灵活地取代场的新旧概念的转换，由于旧的物质形态的场把以太当成唯一的坐标系，因而空间同这种旧的物质形态的场是“相对立的”；但空间并非一无所有，为此它又是不能脱离新的非物质形态的场而“独立存在的”。
Einstein的这段论述，使得隐含在广义相对论中的时空物理属性之谜终于有了相对明确的谜底，即时空弯曲从数学抽象还原为物理形态是以某种场的存在为基础的。
这样，有关时空与运动物体之间的物理联系也就得到了相对合理的解释，即是场在其间起到了媒介作用。
Einstein晚年在题为《相对论与空间问题》的附录中，着重强调了时空概念与场概念的深化关系，首次承认了时空是作为“场的结构性质”而存在的，从而将人们对时空的探讨引向了认识物体运动广延性的特定方向。
Einstein出于对纯引力场的探索并依据修正了的场概念，以结论的方式归纳出自己晚年时空问题的研究思路：“笛卡儿认为一无所有的空间并不存在的见解与真理相去并不远。