引力波是广义相对论还是狭义相对论？

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广义相对论(广义？相对论？)，爱因斯坦在1915年用几何语言建立的引力理论，整合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改变为描述时空中被物质和能量弯曲的时空，以取代引力是一种力的传统观点。这也解释了为什么水星的轨道不稳定。

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基本信息

中文名

相对论

外国名字

广义相对论

另一个名字

相对论

表示

R_uv-1/2×R×g_uv=κ×T_uv

提出者

艾伯特。爱因斯坦

展示时间

1915

应用学科

现代物理学

适用范围

引力物理学，天体物理学，宇宙物理学

论文

广义相对论基础

目录

1基本介绍

2基本概念

3出生背景

4相关介绍

5个基本假设

6主要内容

7科研应用

8实验检查

9第四个假设

10物理应用

11的高级概念

12理论关系

13当前进度

14教案示例

基本介绍折叠编辑这一段

广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的用几何语言描述的引力理论，代表了现代物理学中引力广义相对论理论研究的最高水平。广义相对论在狭义相对论的框架下包含了经典的牛顿万有引力定律，是基于等效原理。在广义相对论中，引力被描述为时空的几何属性(曲率)；时空的这种曲率与时空中物质和辐射的能量动量张量直接相关，其关系就是爱因斯坦的引力场方程(二阶非线性偏微分方程组)。

从广义相对论中得到的预言与经典物理学中相应的预言有很大的不同，特别是关于时间的流逝、空间几何、自由落体的运动和光的传播，比如引力场中的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言已经被迄今为止所有的观测和实验所验证——虽然广义相对论不是当今唯一描述引力的理论，但它是能与实验数据相符的最简洁的理论。但是，还有一些问题至今没有解决。典型的就是如何统一广义相对论和量子物理学的定律，从而建立一个完整的自洽的量子引力理论。

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——时空中的一些区域扭曲得连光都无法逃脱。有证据表明，恒星质量黑洞和超大质量黑洞是一些天体发出高强度辐射的直接原因，如活动星系核和微类星体。光在引力场中的偏转会形成引力透镜现象，使人们能够在很远的位置观察到同一天体的多个图像。广义相对论也预言了引力波的存在。2015北京时间9月14日17: 50: 45，分别位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的两台探测器观测到一次引力波事件，置信度为5.1倍标准差。根据LIGO的数据，引力波事件发生在距离地球超过10亿光年的遥远星系。两个太阳质量分别为36和29的黑洞合并成一个太阳质量为62的黑洞。两个黑洞在最后时刻合并所辐射的引力波峰值强度比整个哈勃体积的电磁辐射强度还要高十倍以上。详细结果将于近日发表在《物理评论快报》(phys.rev.lett .，116，061102)上。这一非凡的发现标志着天文学进入了一个新的时代，人类从此开启了一扇全新的观察宇宙的窗口。另外，广义相对论是现代宇宙学的理论基础。[1]

折叠并编辑本段的基本概念

广义相对论是以狭义相对论为基础的。如果后者被证明是错误的，整个理论将会崩溃。

折叠质量的两种不同表达

为了理解广义相对论，我们必须清楚质量在经典力学中是如何定义的。

首先，让我们想一想，在我们的日常生活中，品质代表着什么。“是体重”？其实我们认为质量是可以称重的东西，就像我们这样测量:我们把需要测量质量的物体放在天平上。我们用什么样的品质来做这件事？是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量叫做“球落到加速地板上，落到地球上的引力质量”。我们称之为“引力”，是因为它决定了宇宙中所有恒星的运动:地球和太阳之间的引力质量驱动地球以近乎圆周运动的方式围绕后者运动。

现在，试着在平坦的地面上推你的车。你不能否认你的车强烈抵制你想给它的加速度。这是因为你的车质量很大。移动轻的物体比移动重的物体容易。质量也可以用另一种方式定义:“它对抗加速度”。这个质量叫做“惯性质量”。

大质量物体表面发出的光波频率是红移的，所以我们得出结论，我们可以用两种方法来衡量质量。要么我们称它的重量(非常简单)，要么我们测量它对加速度的阻力(使用牛顿定律)。

做了很多实验来测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一个结论:惯性质量等于引力质量。

牛顿自己也意识到，这种质量等效是由某种他的理论无法解释的原因造成的。但他认为这个结果是一个简单的巧合。相反，爱因斯坦发现在这个等式中有一个通道可以替代牛顿的理论。

日常经验验证了这种等价性:两个物体(一轻一重)会以相同的速度“下落”。然而，重的物体比轻的物体受到更大的引力。那么它为什么没有更快地“倒下”呢？因为它对加速的抵抗力更强。结论是:物体在引力场中的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到这一现象的人。重要的是你要明白，引力场中所有物体“以相同加速度下落”是惯性质量和引力质量(在经典力学中)等效的结果。

现在我们来关注一下“行踪”这个表达。物体“坠落”是因为地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在相同的引力场中有相同的加速度。不管是月球的还是太阳的，它们的加速速度都是一样的。也就是说，它们的速度每秒增加相同的量。(加速度是每秒钟速度的增量)

折叠引力质量和惯性质量的等价性

光锥爱因斯坦一直在寻找“引力质量等于惯性质量”的解释。为此，他提出了第三个假设，叫做“等效原理”。它表明，如果一个惯性系相对于一个伽利略系统匀加速，那么我们可以通过引入一个相对于它的匀加速引力场，认为它(惯性系)是静止的。

让我们考察一个惯性系K’，它相对于伽利略系统有匀速加速运动。K和K '周围有很多物体。这个物体相对于K是静止的，因此，这些物体相对于K '有相同的加速运动。这个加速度对所有物体都是一样的，与K '相对于K的加速度方向相反，我们已经说过，一个引力场中所有物体的加速度都是一样的，所以效果相当于K '是静止的，有一个均匀的引力场。

所以，如果建立等效原理，那么一个物体的两个质量相等只是一个简单的推论。这就是为什么(质量)对等是支持对等原则的重要论据。

假设K '是静止的，引力场存在，我们就把K '理解为一个伽利略系统，在这个系统中我们可以研究力学定律。因此，爱因斯坦建立了他的第四个原则。

折叠并编辑出生背景。

爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页爱因斯坦在1905年发表论文，讨论狭义相对论中引力和加速度对光的影响，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。至此，广义相对论的运动学出现了。1915年，爱因斯坦的场方程发表，整个广义相对论的动力学终于完成。

1915以后，广义相对论的发展大多集中在求解场方程上，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。但由于场方程是一个非线性偏微分方程，求解起来比较困难，所以在计算机应用于科学之前，只求解了少数几个解。有三个最著名的解:史瓦西解(1916)、Reiss ner-Nordstr & amp；oumlm解和克尔解.

广义相对论的观测也有很多进展。水星的岁差是证明广义相对论正确性的第一个证据，是在相对论出现之前测得的，直到爱因斯坦发现才得到理论上的解释。第二个实验是1919爱丁顿测量非洲日食时太阳引力场引起的星光偏转，与广义相对论预言的完全一致。此时，广义相对论已经被大众和大多数物理学家广泛接受。之后有很多实验来检验广义相对论的理论，证实它的正确性。

此外，宇宙的膨胀也造就了广义相对论的又一个高潮。从1922开始，研究人员发现场方程的解将是一个膨胀的宇宙，爱因斯坦自然不相信那个时候宇宙会上升或下降，于是他在场方程中加入了一个宇宙常数，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。此外，在1929年，哈勃发现宇宙实际上正在膨胀。这个实验结果让爱因斯坦放弃了宇宙常数，并宣称这是我职业生涯中最大的失策。

但是根据最近对一颗超新星的观测，宇宙的膨胀正在加速。于是宇宙常数似乎有了复活的可能，宇宙中的暗能量可能要用宇宙常数来解释了。

折叠并编辑本段的相关介绍

爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页。相对论是现代物理学的理论基础之一。讨论物质运动与时空关系的理论。由爱因斯坦在20世纪初创立，并与其他物理学家一起发展完善，狭义相对论创立于1905年，广义相对论完成于1916年。19年底，由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论的完善(1831~1879)，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，对经典的时空观提出了质疑。爱因斯坦提出了物理学中新的时空概念，确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。(1)光速不变原理:即在任何惯性系中，真空中的光速c都是一样的，与光源和观察者的运动无关。(2)狭义的相对论原理是指物理学的基本定律，甚至是自然定律，对所有的惯性参考系都是一样的。

爱因斯坦的第二相对论(1916)。这个理论认为引力是由时空几何(即不仅考虑空间中的点与点之间的距离，还考虑空间和时间中的点与点之间的距离的几何)的扭曲引起的，因此引力场影响了时间和距离的测量。

广义相对论:爱因斯坦的理论，其基础是所有观察者的光速必须相同，无论他们如何移动。它根据四维时空的曲率来解释引力

狭义相对论和万有引力定律只是特殊情况下广义相对论的特例。狭义相对论是没有重力的情况；万有引力定律就是距离近，引力小，速度慢的情况。

折叠并编辑本段的基本假设

简单来说，广义相对论的两个基本原理是:一是等效原理:引力和惯性力是等效的；二、广义相对论原理:所有物理定律在任何参考系中都采取相同的形式。

折叠等效原理

对等原则:可分为弱对等原则和强对等原则。弱等效原理认为引力质量和惯性质量是等效的。根据强等效原理，两个空间分别受到重力和相等的惯性力，这两个空间的所有实验都会得出相同的物理规律。目前很多学者都在从事等效原理的论证和研究，但至少就目前能达到的精度而言，等效原理还没有被实验证明。

折叠广义相对性原理

广义相对论原理:物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。

在普通物理学(大学教材)中，这两个原理描述如下:

等效原理:在均匀恒定引力场作用下的惯性系中的所有物理现象，都可以与不受引力场影响，但以恒定加速度运动的非惯性系中的物理现象完全相同。

广义相对论的相对性原理:引力场中存在的所有非惯性系和惯性系都是等价的，用来描述物理现象。

万有引力定律被爱因斯坦的场方程所取代:

R_uv-1/2*R*g_uv=κ*T_uv

(Rμν-(1/2)gμνR = 8gπTμν/(c * c * c * c)-gμν)

其中g是牛顿的引力常数。

该方程是一个带椭圆约束的二阶双曲偏微分方程，以时空为自变量，度量为因变量。它以复杂美观著称，但并不完美，计算中只能得到近似解。最后，人们得到了真正球对称的精确解——施瓦茨解。

加入宇宙常数后的场方程是:

R _ uv-1/2 * R * g _ uv+λ* g _ uv =κ* T _ uv

科研应用折叠编辑这一段

根据广义相对论，在局部惯性系中没有引力，一维时间和三维空间形成四维平坦的欧氏空间；在任何一个参照系中，都存在引力，引力导致时空弯曲，所以时空是一个四维弯曲的非欧空间。爱因斯坦发现了物质分布影响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度和动量密度在时间空间的分布，时间空间的弯曲结构又决定了物体的运动轨迹。在引力较弱、时空曲率较小的情况下，广义相对论的预言与牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致。但在强引力和时空曲率较大的情况下，两者是有区别的。广义相对论提出以来，预言了水星近日点的异常岁差、光频的引力红移、光的引力偏转、雷达回波的延迟等，都得到了天文观测或实验的证实。近年来对脉冲双星的观测也提供了强有力的证据，证明光源发出的光在穿过致密星时发生了偏转。

广义相对论因其惊人的证实和理论之美，迅速得到人们的认可和赞赏。但由于牛顿的引力理论对大多数引力现象已经足够精确，广义相对论只提供了非常小的修正，人们在实际中并不需要。因此，广义相对论在建立后的半个世纪里，并没有得到充分的重视和迅速的发展。到了60年代，情况发生了变化，发现了强引力天体(中子星)和3K宇宙的背景辐射，使得广义相对论的研究蓬勃发展。广义相对论对于研究天体的结构和演化以及宇宙的结构和演化具有重要意义。中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力和大尺度时空的拓扑结构正在被深入研究，广义相对论成为物理研究的重要理论基础。

折叠和编辑这一段进行实验检查

在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三个实验检验，一是水星近日点的进动，二是光在引力场中的弯曲，三是谱线的引力红移。其中只有水星近日点的岁差是确定的事实，其他两项都是后来才确定的。20世纪60年代以后，一些人提出了观测雷达回波延迟和引力波的计划。

折叠水星近日点的进动

1859年，天文学家勒·维利耶发现水星近日点岁差的观测值比根据牛顿定律每百年计算的理论值快38角秒。他猜测水星内部可能存在一颗小行星，这颗小行星对水星的吸引力导致了两者的偏离。但是经过多年的搜寻，这颗小行星始终没有被发现。纽科姆街1882号

经过重新计算，得出水星近日点的超额岁差值为每百年43秒。他提出，有可能是黄道光发出的漫射物质阻碍了水银的运动。但这并不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余岁差。纽康想知道重力是否服从平方反比定律。后来有人用电磁理论解释水星近日点进动的异常现象，但都没有成功。

1915年，爱因斯坦根据广义相对论将行星绕太阳的运动视为其在太阳引力场中的运动，周围空间因太阳质量而弯曲，这样行星每转一圈的近日点岁差如下:

ε=24π2a2/T2c2(1-e2)

其中a是行星轨道的长半轴，c是光速，用厘米/秒表示，e是偏心率，t是公转周期。对于水星，计算出ε=43″/百年，与Newcomb的结果不谋而合，一举解决了牛顿引力理论多年未解的难题。这个结果成为当时广义相对论最有力的证据。水星是离太阳最近的内行星。越靠近中央天体，引力场越强，时空弯曲的曲率越大。此外，水星的轨道偏心率较大，因此岁差修正值比其他行星大。后来测得的金星、地球和伊卡洛斯的多余岁差与理论计算基本一致。

引力场中折叠光的弯曲

在1911中，爱因斯坦讨论过，当光线经过太阳附近时，会在太阳引力的作用下发生弯曲。他计算出偏转角为0.83”，并指出在日全食中可以观察到这一现象。1914德国天文学家E.F.Freundlich带队前往克利穆半岛，准备在当年8月观测日全食，当时第一次世界大战爆发，观测失败。还好是这样，因为爱因斯坦当时只考虑了等效原理，计算结果小了一半。1916爱因斯坦根据完全广义相对论重新计算了光在引力场中的弯曲。他不仅考虑了太阳的引力，还考虑了太阳质量引起的空间几何形变。光线的偏转角为α=1″.75R0/r，其中R0为太阳半径，r为光线到太阳中心的距离。

在1919日全食期间，英国皇家学会和皇家天文学会派出了由A.S .费丁顿等人率领的两个观测队前往西非几内亚湾的普林西比岛和巴西的索布拉尔进行观测。经过对比，两地观测结果为1”。61 ″.30和1”。98 0 ″.分别是12。将当时测得的偏转角数据与爱因斯坦的理论预期进行比较，基本一致。这种观测精度太低，还会受到其他因素的干扰。人们一直在寻找日全食以外的可能性。20世纪60年代射电天文学的发展带来了希望。用射电望远镜发现了一个类似恒星的射电源。在1974和1975观测类星体的结果，理论值与观测值的偏差小于1%。

折叠谱线的引力红移

行星围绕恒星旋转的比较广义相对论指出，时钟在强引力场中运动缓慢，因此大质量恒星表面发射到地球的光会移动到光谱的红端。爱因斯坦在《191年引力对光传播的影响》一文中讨论了这个问题。他用φ表示太阳表面与地球的引力电势差，ν0和ν分别表示光在太阳表面和到达地球时的频率，所以:

(ν0-ν)/ν=-φ/C2 = 2×10-6。

爱因斯坦指出，这个结果与C.Fabry等人的观测结果是一致的，Fabry原本认为是受到了其他原因的影响。

1925年，威尔逊山天文台的W.S .亚当斯观测到了天狼星的伴星天狼星A。这颗伴星是所谓的白矮星，密度比白金大2000倍。通过观察其谱线，得到的频移与广义相对论的预期基本一致。

1958年，穆斯堡尔效应被发现。利用这种效应，可以测量高分辨率的R射线振动吸收。1959年，庞德(R.V.Pound)和雷布卡(G.Rebka)首先提出了利用穆斯堡尔效应探测引力频移的方案。然后，他们成功地进行了实验，结果与理论值相差5%左右。

用原子钟测量引力频移也能得到很好的结果。在1971中，J.C .哈弗勒和R.E .基廷使用了几个铯原子钟来比较不同高度的计时速率。其中一个放在地面上作为参考时钟，另外几个被民航飞机搭载到太空，在65438+10万米的高度沿赤道绕地球飞行。实验结果与理论预期值在65438±00%范围内一致。1980年，R.F.C .维索等人用氢脉泽做了实验。他们把氢脉泽火箭发射到10000公里的太空，得到的结果与理论值相差只有7× 10-5。

折叠雷达回波延迟

光在大质量物体附近经过时的弯曲现象，可以看作是一种折射，相当于减慢了光速。因此，如果来自太空中某一点的信号经过太阳附近，到达地球的时间就会延迟。在1964中，I.I.Shapiro首先提出了这个建议。他的团队先后在水星、金星和火星上进行雷达实验，证明雷达回波确实有延迟。近年来以人造天体为反射目标，实验精度有所提高。与广义相对论的理论值相比，这类实验的结果相差约65438±0%。用天文观测检验广义相对论的例子很多。比如:引力波观测和双星观测，关于宇宙膨胀的哈勃定律，黑洞的发现，中子星的发现，微波背景辐射的发现等等。通过各种实验，广义相对论越来越有说服力。但有一点要强调:我们可以用一次实验否定一个理论，但不能用有限次的实验最终证明一个理论；一个准确度低的实验可能推翻一个理论，但一系列准确度高的实验并不能最终证实一个理论。无论广义相对论是否正确，人们必须采取非常谨慎的态度，严格而谨慎地得出合理的结论。

折叠并编辑本段中的第四个假设。

引力透镜效应下同一天体的四幅图像爱因斯坦的第四个假说是他的第一个假说的推广。可以说，自然规律在所有部门都是一样的。

不可否认，声称自然规律在所有部门都是一样的，比声称自然规律只在伽利略那里是一样的，听起来更“自然”。但是我们不知道是否存在伽利略系统。

这个原理被称为“广义相对论原理”