作业帮为什么广义相对论和狭义相对论我怎么都i看不懂说的什么意思 麻烦简单解释下
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/04/28 08:54:05
为什么广义相对论和狭义相对论我怎么都i看不懂说的什么意思 麻烦简单解释下
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为什么广义相对论和狭义相对论我怎么都i看不懂说的什么意思 麻烦简单解释下
爱因斯坦的第二种相对性理论（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.
广义相对论：爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者（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.
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.因此,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.
[编辑本段]背景
爱因斯坦在1907年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中,重力和加速度对其影响的论文,广义相对论的雏型就此开始形成.1912年,爱因斯坦发表了另外一篇论文,探讨如何将重力场用几何的语言来描述.至此,广义相对论的运动学出现了.到了1915年,爱因斯坦场方程式被发表了出来,整个广义相对论的动力学才终于完成.
1915年后,广义相对论的发展多集中在解开场方程式上,解答的物理解释以及寻求可能的实验与观测也占了很大的一部份.但因为场方程式是一个非线性偏微分方程,很难得出解来,所以在电脑开始应用在科学上之前,也只有少数的解被解出来而已.其中最著名的有三个史瓦西解(the Schwarzschild solution (1916)), the Reissner-Nordström solution and the Kerr solution.
在广义相对论的观测上,也有著许多的进展.水星的岁差是第一个证明广义相对论是正确的证据,这是在相对论出现之前就已经量测到的现象,直到广义相对论被爱因斯坦发现之后,才得到了理论的说明.第二个实验则是1919年爱丁顿在非洲趁日蚀的时候量测星光因太阳的重力场所产生的偏折,和广义相对论所预测的一模一样.这时,广义相对论的理论已被大众和大多的物理学家广泛地接受了.之后,更有许多的实验去测试广义相对论的理论,并且证实了广义相对论的正确.
另外,宇宙的膨胀也创造出了广义相对论的另一场高潮.从1922年开始,研究者们就发现场方程式所得出的解答会是一个膨胀中的宇宙,而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会来涨缩,所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一个隐定宇宙的解出来.但是这个解有两个问题.在理论上,一个隐定宇宙的解在数学上不是稳定.另外在观测上,1929年,哈勃发现了宇宙其实是在膨胀的,这个实验结果使得爱因斯坦放弃了宇宙常数,并宣称这是我一生最大的错误(the biggest blunder in my career).
但根据最近的一形超新星的观察,宇宙膨胀正在加速.所以宇宙常数似乎有败部复活的可能性,宇宙中存在的暗能量可能就必须用宇宙常数来解释.
[编辑本段]基本假设
等效原理：引力和惯性力是完全等效的. 现在有学者发现引力与惯性力是不等效的.
广义相对性原理：物理定律的形式在一切参考系都是不变的.600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
普通物理学(大学课本)中是这样描述这两个原理的：
等效原理：在处于均匀的恒定引力场影响下的惯性系,所发生的一切物理现象,可以和一个不受引力场影响的,但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同.
广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的.
[编辑本段]广义相对论的基本概念
广义相对论是基于狭义相对论的.如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌.
为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的.
质量的两种不同表述：
首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么.“它是重量”?事实上,我们认为质量是某种可称量的东西,正如我们是这样度量它的：我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上.我们这样做是利用了质量的什么性质呢?是地球和被测物体相互吸引的事实.这种质量被称作“引力质量”.我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行：地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动.
现在,试着在一个平面上推你的汽车.你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度.这是因为你的汽车有一个非常大的质量.移动轻的物体要比移动重的物体轻松.质量也可以用另一种方式定义：“它反抗加速度”.这种质量被称作“惯性质量”.
因此我们得出这个结论：我们可以用两种方法度量质量.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抵抗（使用牛顿定律）.
人们做了许多实验以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结论：惯性质量等于引力质量.
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的.但他认为这一结果是一种简单的巧合.与此相反,爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道.
日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”.然而重的物体受到的地球引力比轻的大.那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强.结论是,引力场中物体的加速度与其质量无关.伽利略是第一个注意到此现象的人.重要的是你应该明白,引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果.
现在我们关注一下“下落”这个表述.物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场.两个物体在所有相同的引力场中的速度相同.不论是月亮的还是太阳的,它们以相同的比率被加速.这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同.（加速度是速度每秒的增加值）
引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设
爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释.为了这个目标,他作出了被称作“等同原理”的第三假设.它说明：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速,那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的.
让我们来考查一个惯性系K’,它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动.在K 和K’周围有许多物体.此物体相对于K是静止的.因此这些物体相对于K’有一个相同的加速运动.这个加速度对所有的物体都是相同的,并且与K’相对于K的加速度方向相反.我们说过,在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同于K’是静止的并且存在一个均匀的引力场.
因此如果我们确立等同原理,两个物体的质量相等只是它的一个简单推论. 这就是为什么（质量）等同是支持等同原理的一个重要论据.
通过假定K’静止且引力场存在,我们将K’理解为一个伽利略系,（这样我们就可以）在其中研究力学规律.由此爱因斯坦确立了他的第四个原理.
[编辑本段]主要内容
爱因斯坦提出“等效原理”,即引力和惯性力是等效的.这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上.根据等效原理,爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系都是不变的.物体的运动方程即该参考系中的测地线方程.测地线方程与物体自身固有性质无关,只取决于时空局域几何性质.而引力正是时空局域几何性质的表现.物质质量的存在会造成时空的弯曲,在弯曲的时空中,物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动),如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动,实际是绕着太阳转,造成引力作用效应.正如在弯曲的地球表面上,如果以直线运动,实际是绕着地球表面的大圆走.
引力是时空局域几何性质的表现.虽然广义相对论是爱因斯坦创立的,但是它的数学基础的源头可以追溯到欧氏几何的公理和数个世纪以来为证明欧几里德第五公设（即平行线永远保持等距）所做的努力,这方面的努力在罗巴切夫斯基、Bolyai、高斯的工作中到达了顶点：他们指出欧氏第五公设是不能用前四条公设证明的.非欧几何的一般数学理论是由高斯的学生黎曼发展出来的.所以也称为黎曼几何或曲面几何,在爱因斯坦发展出广义相对论之前,人们都认为非欧几何是无法应用到真实世界中来的.
在广义相对论中,引力的作用被“几何化”——即是说：狭义相对论的闵氏空间背景加上万有引力的物理图景在广义相对论中变成了黎曼空间背景下不受力(假设没有电磁等相互作用)的自由运动的物理图景,其动力学方程与自身质量无关而成为测地线方程：
而万有引力定律也代之以爱因斯坦场方程：
其中 G 为牛顿万有引力常数
该方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程.它以复杂而美妙著称,但并不完美,计算时只能得到近似解.最终人们得到了真正球面对称的准确解——史瓦兹解.
加入宇宙学常数后的场方程为：
广义相对论的宇宙现象与科研应用
按照广义相对论,在局部惯性系内,不存在引力,一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间；在任意参考系内,存在引力,引力引起时空弯曲,因而时空是四维弯曲的非欧黎曼空间.爱因斯坦找到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、动量密度在时间空间中的分布,而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道.在引力不强、时间空间弯曲很小情况下,广义相对论的预言同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致；而引力较强、时间空间弯曲较大情况下,两者有区别.广义相对论提出以来,预言了水星近日点反常进动、光频引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟,都被天文观测或实验所证实.近年来,关于脉冲双星的观测也提供了有关广义相对论预言存在引力波的有力证据.
广义相对论由于它被令人惊叹地证实以及其理论上的优美,很快得到人们的承认和赞赏.然而由于牛顿引力理论对于绝大部分引力现象已经足够精确,广义相对论只提供了一个极小的修正,人们在实用上并不需要它,因此,广义相对论建立以后的半个世纪,并没有受到充分重视,也没有得到迅速发展.到20世纪60年代,情况发生变化,发现强引力天体（中子星）和3K宇宙背景辐射,使广义相对论的研究蓬勃发展起来.广义相对论对于研究天体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、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究正在深入,广义相对论成为物理研究的重要理论基础.
[编辑本段]爱因斯坦第四假设
爱因斯坦的第四假设是其第一假设的推广.它可以这样表述：自然法则在所有的系中都是相同的.
不可否认,宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”.但是我们不知道（外部）是否存在一个伽利略系.
这个原理被称作“广义相对论原理”
死亡电梯
让我们假想一个在摩天大楼内部自由下落的电梯,里面有一个蠢人. 这人让他的表和手绢同时落下.会发生什么呢?对于一个电梯外以地球为参照系的人来说,表、手绢、人和电梯正以完全一致的速度下落.（让我们复习一下：依据等同性原理,引力场中物体的运动不依赖于它的质量.）所以表和地板,手绢和地板,人和表,人和手绢的距离固定不变.因此对于电梯里的人而言,表和手绢将呆在他刚才扔它们的地方.
如果这人给他的手表或他的手绢一个特定的速度,它们将以恒定的速度沿直线运动.电梯表现得象一个伽利略系.然而,这不会永远持续下去.迟早电梯都会撞碎,电梯外的观察者将去参加一个意外事故的葬礼.
现在我们来做第二个理想化的试验：我们的电梯远离任何大质量的物体.比如,正在宇宙深处.我们的大蠢蛋从上次事故中逃生.他在医院呆了几年后,决定重返电梯.突然一个生物开始拖动这个电梯.经典力学告诉我们：恒力将产生恒定的加速度.（对于非常高速的情况这条规律不适用.因为一个物体的质量随速度增加而增大.在我们这个试验中我们假定它是正确的.）由此,电梯在伽利略系中将有一个加速运动.
我们的天才傻瓜呆在电梯里让他的手绢和手表下落.电梯外伽利略系中的人认为手表和手绢会撞到地板上.这是由于地板因其加速度而向它们（手绢和手表）撞过来.事实上,电梯外的人将会发现表和地板以及手绢和地板间的距离以相同的速率在减小.另一方面,电梯里的人会注意到他的手表和手绢有相同的加速度,他会把这归因于引力场.
这两种解释看起来似乎一样：一边是一个加速运动,另一边是一致的运动和引力场.
让我们再做一个实验来证明引力场的存在.一束光通过窗户射在对面的墙上.我们的两位观察者是这样解释的：
在电梯外的人告诉我们：光通过窗户以恒定的速度（当然了!）沿一条直线水平地射进电梯,照在对面的墙上.但由于电梯正在向上运动,所以光线的照射点应在此入射点稍下的位置上.
电梯里的人说：我们处于引力场中.由于光没有质量,它不会受引力场的影响,它会恰好落在入射点正对的点上.
噢!问题出现了.两个观察者的意见不一致.然而在电梯里的人犯了个错误.他说光没有质量,但光有能量,而能量有一个质量（记住一焦耳能量的质量是：M=E/C^2）因此光将有一个向地板弯曲的轨迹,正象外部的观察者所说的那样.
由于能量的质量极小（C^2＝300,000,000×300,000,000）,这种现象只能在非常强的引力场附近被观察到.这已经被证实：由于太阳的巨大质量,光线在靠近太阳时会发生弯曲.这个试验是爱因斯坦理论（广义相对论）的首次实证.
从所有这些实验中我们得出结论：通过引入一个引力场我们可以把一个加速系视为伽利略系.将其引伸,我们认为它对所有的运动都适用,不论它们是旋转的（向心力被解释为引力场）还是不均匀加速运动（对不满足黎曼（Riemann）条件的引力场通过数学方法加以转换）.你看,广义相对论与实践处处吻合.
上述例子取自 “L'évolution des idées en Physique” 爱因斯坦和 Leopold Infeld 著.
简单的讲，就是对牛顿理论进行修正。
狭义相对论：其实就是因为光速不满足牛顿理论中的速度合成（即光速不变），爱因斯坦通过引入相对时空观（即时间不是均匀流逝的）来对牛顿理论进行修正的一系列推论，其中包括了著名的质能方程。
广义相对论：是因为狭义相对论中有个推论是光速是宇宙的极限速度，而牛顿万有引力没有考虑到这一点，所以对万有引力理论进行修正。...
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简单的讲，就是对牛顿理论进行修正。
狭义相对论：其实就是因为光速不满足牛顿理论中的速度合成（即光速不变），爱因斯坦通过引入相对时空观（即时间不是均匀流逝的）来对牛顿理论进行修正的一系列推论，其中包括了著名的质能方程。
广义相对论：是因为狭义相对论中有个推论是光速是宇宙的极限速度，而牛顿万有引力没有考虑到这一点，所以对万有引力理论进行修正。
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告诉你一个诀窍，只要把相对论当成近光速运动看到的现象，根据中学学到的波速不变原理，就可以解决相对论问题，但计算时不要用线性方程，改用洛仑兹变换方程，就可以了。别告诉我你中学的波学没有学好，那可真不好帮你了。
说白了，就是很多人都没有学懂相对论，包括写教材的，所以你看他们的论述看不懂，很多地方违反波学原理。考试前，你还要死背相对论结论，否则老师不会给你分数，考完试再看其它理论，会让你大开眼界...
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告诉你一个诀窍，只要把相对论当成近光速运动看到的现象，根据中学学到的波速不变原理，就可以解决相对论问题，但计算时不要用线性方程，改用洛仑兹变换方程，就可以了。别告诉我你中学的波学没有学好，那可真不好帮你了。
说白了，就是很多人都没有学懂相对论，包括写教材的，所以你看他们的论述看不懂，很多地方违反波学原理。考试前，你还要死背相对论结论，否则老师不会给你分数，考完试再看其它理论，会让你大开眼界，学校那些小青蛙，是跳不出相对论那口井的。
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动表变慢，动尺变短，爱因斯坦的质能方程说明的是任何物体的速度不能超过光速
我是从“速度”上理解狭义相对论的，从“加速度”理解广义相对论的。狭义的主要就是说:对于相对于伽利略坐标系K而言，做匀速而无转动的坐标系K*也是伽利略坐标系，亦即惯性参考系具有协同性。
广义的说的就是引力的问题，也是加速度的问题，读一下原著，Einstan写的很精简！...
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我是从“速度”上理解狭义相对论的，从“加速度”理解广义相对论的。狭义的主要就是说:对于相对于伽利略坐标系K而言，做匀速而无转动的坐标系K*也是伽利略坐标系，亦即惯性参考系具有协同性。
广义的说的就是引力的问题，也是加速度的问题，读一下原著，Einstan写的很精简！
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