廣義相對論(General Relativity) 描寫物質(zhì)間引力相互作用的理論。其基礎(chǔ)有A.愛因斯坦于1915年完成，1916年正式發(fā)表。這一理論首次把引力場解釋成時(shí)空的彎曲。

概念介紹

黑洞

愛因斯坦的廣義相對論理論在天體物理學(xué)中有著非常重要的應(yīng)用：它直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞——時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度的扭曲以至于連光都無法逸出;而多大質(zhì)量的恒星會(huì)塌陷為黑洞則是印裔物理學(xué)家錢德拉塞卡的功勞——錢德拉塞卡極限(白矮星的質(zhì)量上限)。

引力透像

有證據(jù)表明恒星質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞是某些天體例如活動(dòng)星系核和微類星體發(fā)射高強(qiáng)度輻射的直接成因。光線在引力場中的偏折會(huì)形成引力透鏡現(xiàn)象，這使得人們能夠觀察到處于遙遠(yuǎn)位置的同一個(gè)天體的多個(gè)成像。

引力波

廣義相對論還預(yù)言了引力波的存在(愛因斯坦于1918年寫的論文《論引力波》)，現(xiàn)已被直接觀測所證實(shí)。此外,廣義相對論還是現(xiàn)代宇宙學(xué)的膨脹宇宙模型的理論基礎(chǔ)。

時(shí)空關(guān)系

19世紀(jì)末由于牛頓力學(xué)和(蘇格蘭數(shù)學(xué)家)麥克斯韋(1831~1879年)電磁理論趨于完善，一些物理學(xué)家認(rèn)為“物理學(xué)的發(fā)展實(shí)際上已經(jīng)結(jié)束”，但當(dāng)人們運(yùn)用伽利略變換解釋光的傳播等問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)一系列尖銳矛盾，對經(jīng)典時(shí)空觀產(chǎn)生疑問。愛因斯坦對這些問題，提出物理學(xué)中新的時(shí)空觀，建立了可與光速相比擬的高速運(yùn)動(dòng)物體的規(guī)律，創(chuàng)立相對論。 狹義相對論提出兩條基本原理。(1)光速不變原理：即在任何慣性系中，真空中光速c都相同，為299,792,458m/s，與光源及觀察者的運(yùn)動(dòng)狀況無關(guān)。(2)狹義相對性原理：是指物理學(xué)的基本定律乃至自然規(guī)律，對所有慣性參考系來說都相同。

愛因斯坦的第二種相對性理論(1916年)。該理論認(rèn)為引力是由空間——時(shí)間彎曲的幾何效應(yīng)(也就是，不僅考慮空間中的點(diǎn)之間，而是考慮在空間和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的幾何)的畸變引起的，因而引力場影響時(shí)間和距離的測量。

萬有引力

廣義相對論：是一種關(guān)于萬有引力本質(zhì)的理論。愛因斯坦曾經(jīng)一度試圖把萬有引力定律納入相對論的框架，幾經(jīng)失敗后，他終于認(rèn)識(shí)到，狹義相對論容納不了萬有引力定律。于是，他將狹義相對性原理推廣到廣義相對性，又利用在局部慣性系中萬有引力與慣性力等效的原理，建立了用彎曲時(shí)空的黎曼幾何描述引力的廣義相對論理論。

狹義相對論

狹義相對論與廣義相對論：狹義相對論只適用于慣性系，它的時(shí)空背景是平直的四維時(shí)空，而廣義相對論則適用于包括非慣性系在內(nèi)的一切參考系，它的時(shí)空背景是彎曲的黎曼時(shí)空。

誕生背景

發(fā)展過程

愛因斯坦在1905年發(fā)表了一篇探討光線在狹義相對論中，重力和加速度對其影響的論文，廣義相對論的雛型就此開始形成。1912年，愛因斯坦發(fā)表了另外一篇論文，探討如何將重力場用幾何的語言來描述。至此，廣義相對論的運(yùn)動(dòng)學(xué)出現(xiàn)了。到了1915年， 愛因斯坦引力場方程發(fā)表了出來，整個(gè)廣義相對論的動(dòng)力學(xué)才終于完成。

開場方程式解

1915年后，廣義相對論的發(fā)展多集中在解開場方程式上，解答的物理解釋以及尋求可能的實(shí)驗(yàn)與觀測也占了很大的一部份。但因?yàn)閳龇匠淌绞且粋€(gè)非線性偏微分方程，很難得出解來，所以在電腦開始應(yīng)用在科學(xué)上之前，也只有少數(shù)的解被解出來而已。其中最著名的有三個(gè)解：史瓦西解、 雷斯勒——諾斯特朗姆解、克爾解。

三大驗(yàn)證

在廣義相對論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上，有著名的三大驗(yàn)證。在水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)中，每百年43秒的剩余進(jìn)動(dòng)長期無法得到解釋，被廣義相對論完滿地解釋清楚了。光線在引力場中的彎曲，廣義相對論計(jì)算的結(jié)果比牛頓理論正好大了1倍，愛丁頓和戴森的觀測隊(duì)利用1919年5月29日的日全食進(jìn)行觀測的結(jié)果，證實(shí)了廣義相對論是正確的。再就是引力紅移，按照廣義相對論，在引力場中的時(shí)鐘要變慢，因此從恒星表面射到地球上來的光線，其光譜線會(huì)發(fā)生紅移，這也在很高精度上得到了證實(shí)。從此，廣義相對論理論的正確性被得到了廣泛地承認(rèn)。

另外，宇宙的膨脹也創(chuàng)造出了廣義相對論的另一場高潮。從1922年開始，研究者們就發(fā)現(xiàn)場方程式所得出的解答會(huì)是一個(gè)膨脹中的宇宙，而愛因斯坦在那時(shí)自然也不相信宇宙會(huì)來漲縮，所以他便在場方程式中加入了一個(gè)宇宙常數(shù)來使場方程式可以解出一個(gè)穩(wěn)定宇宙的解出來。但是這個(gè)解有兩個(gè)問題。在理論上，一個(gè)穩(wěn)定宇宙的解在數(shù)學(xué)上不是穩(wěn)定。另外在觀測上，1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙其實(shí)是在膨脹的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果使得愛因斯坦放棄了宇宙常數(shù)，并宣稱這是我一生最大的錯(cuò)誤(the biggest blunder in my career)。

但根據(jù)最近的一形超新星的觀察，宇宙膨脹正在加速。所以宇宙常數(shù)似乎有再度復(fù)活的可能性，宇宙中存在的暗能量可能就必須用宇宙常數(shù)來解釋.

基本假設(shè)

簡單地說，廣義相對論的兩個(gè)基本原理是：一，等效原理：慣性力場與引力場的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的;二，廣義相對性原理：所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。