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1、相对论和宇宙相对论是关于时空和引力的 基本理论，主要由阿尔伯特 爱因斯坦(Albert Einstein) 创立，分为狭义相对论（特 殊相对论）和广义相对论（ 一般相对论）。相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动 与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和 其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创 立，广义相对论于1916年完成.狭义相对论提出两条基本 原理。（1）光速不变原理。 即在任何惯性系中， 真空 中光速c都相同， 与光源及观察者的运动状况无关。（2 ）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律， 对所有惯性参考系来说都相同。 爱因斯坦的第二种相对性理论（
2、1916年）。该理 论认为引力是由空间时间几何（也就是，不仅考虑 空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距 离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离 的测量. 两个基本原理： 由“追光实验”的思考，他提出了建立狭义相对论的两 个基本原理中的一个即光速不变原理光的传播速度与 惯性参考系的运动速度无关，因而与光源速度无关。 另一个基本原理是相对性原理物理学的定律，即 一切描写运动规律的方程式在所有惯性系中具有相同的形 式。 两原理密切结合，不能分开，相对性原理好比“画龙 ”，光速不变是爱因斯坦的“点睛”之笔。麦克斯韦方程 在伽利略变换下，在不同惯性系中形式要变了，但在洛仑 兹变换（
3、后面介绍）下将保持不变，而洛仑兹变换正是在 光速不变原理下导出的。”广义相对论： 爱因斯坦的基于光 速对所有的观察者 （而不管他们如何 运动的）必须是相 同的观念的理论。 它将引力按照四维 空间时间的曲率 来解释。 狭义相对论和万有 引力定律，都只是 广义相对论在特殊 情况之下的特例。 狭义相对论是在没 有重力时的情况； 而万有引力定律则 是在距离近、引力 小和速度慢时的情 况。 狭义相对论和广义相对论的区别是: 前者讨论的是匀速直线运动的参照系 （惯性参照系）之间的物理定律，后 者则推广到具有加速度的参照系中（ 非惯性系），并在等效原理的假设下 ，广泛应用于引力场中。相对论和量 子力学是现代
4、物理学的两大基本支柱 。经典物理学基础的经典力学，不适 用于高速运动的物体和微观领域。 狭义相对论和广义相对论的区别相对论的基本方程由相对论动量表达式可知： F=dp/dt，这是力的定义式 ，虽与牛顿第二定律的形式 完全一样，但内涵不一样。 （相对论中质量是变量）建立相对论:n爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对 论。他引入了一个等效原理，认为我们不可 能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运 动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠 近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的 现象，认为引力的概念本身完全不必要。可 以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲 ，光线走的是最短程线。基于这些讨论，爱
5、 因斯坦导出了一组方程，它们可以确定由物 质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个 方程，爱因斯坦计算了水星近日点的位移量 .广义相对论的实验检验 n在广义相对论建立之初，爱因斯 坦提出了三项实验检验，一是水 星近日点的进动，二是光线在引 力场中的弯曲，三是光谱线的引 力红移。其中只有水星近日点进 动是已经确认的事实，其余两项 只是后来才陆续得到证实。60年 代以后，又有人提出观测雷达回 波延迟、引力波等方案。 狭义相对论 狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等 人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时 空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变原 理出发，建立了新的时空观。进一步，闵科夫 斯基为
6、了狭义相对论提供了严格的数学基础， 从而将该理论纳入到带有闵科夫斯基度量的四 维空间之几何结构中。狭义相对论还有一个质 量随运动速度而增加的结论,实验中发现，高 速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。 狭义相对论 - 历史背景及重要实验基础 l牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近 似。 伽利略变换与电磁学理论的不自洽 到 19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经 典电磁理论的正确性已被大量实验所证实 ，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略 变换下不具有协变性。而经典力学中的相 对性原理则要求一切物理规律在伽利略变 换下都具有协变性。在这样的背景下，才 有了狭义相对论 弯曲时空中的量子场论n 作为
7、现代物理中粒子物理学的基础，通常意义上 的量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的， 这对于处在像地球这样的弱引力场中的微观粒子的 描述而言是一个非常好的近似。而在某些情形中， 引力场的强度足以影响到其中的量子化的物质但不 足以要求引力场本身也被量子化，为此物理学家发 展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典 的广义相对论来描述弯曲的背景时空，并定义了广 义化的弯曲时空中的量子场理论。通过这种理论， 可以证明黑洞也在通过黑体辐射释放出粒子，这即 是霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终 蒸发。如前文所述，霍金辐射在黑洞热力学的研究 中起到了关键作用。 量子引力 物质的量子化描述和时空的
8、几何 化描述之间彼此不具有相容性， 以及广义相对论中时空曲率无限 大（意味着其结构成为微观尺度 ）的奇点的出现，这些都要求着 一个完整的量子引力理论的建立 。这个理论需要能够对黑洞内部 以及极早期宇宙的情形做出充分 的描述，而其中的引力和相关的 时空几何需要用量子化的语言来 叙述。尽管物理学家为此做出了 很多努力，并有多个有潜质的候 选理论已经发展起来，至今人类 还没能得到一个称得上完整并自 洽的量子引力理论。 总结n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 模型的理论基础。谢谢老师经济与管理学院102班 古翠林
