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广义相对论引力波(论文)

引力波探索

姓名:于克锋

学号:2003080007

摘要: 电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言

关键字: 引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波

引力波:

牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。

其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。

这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。

根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。

在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。

虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜

爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。

引力波的基础理论

线性爱因斯坦方程

引力波广义相对论下的弱引力场可写作对平直时空的线性微扰

$g_{\alpha \beta} = \eta_{\alpha \beta} + h_{\alpha \beta}\,$

src="">，其中 $|h_{\alpha \beta}|<<1\,$

src="">

这里 $\eta_{\alpha \beta} = diag(-1, 1, 1, 1)\,$ 是平直时空的闵可夫斯基度规，是弱引力场带来的微

扰。在这个度规下计算得到的

黎曼张量为

$R_{\alpha \beta \mu \nu} = \frac\left( \partial_\mu \partial_\beta h_{\alpha \nu} - \partial_\mu \partial_\alpha h_{\beta \nu} + \partial_\nu \partial_\alpha h_{\beta \mu} - \partial_\nu \partial_\beta h_{\alpha \mu}</p><p>\right)$

爱因斯坦张量为

$G_{\alpha \beta} = -\frac \left( \partial_\mu \partial^\mu \overline_{\alpha \beta} + \eta_{\alpha \beta} \partial^\mu \partial^\nu \overline_{\mu \nu} - \partial_\beta \partial^\mu \overline_{\alpha \mu} - \partial_\alpha \partial^\mu \overline_{\beta \mu} \right)$

这里， $\overline_{\alpha \beta} = h_{\alpha \beta} - \frac\eta_{\alpha \beta}h$ ， $h = \eta^{\alpha \beta}</p><p>h_{\alpha \beta}\,$ $\overline_{\alpha \beta}\,$

被称作迹反转度规微扰（trace-reverse metric perturbation）。

由于万有引力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。

自1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在以来，引力波至今未能在实验上直接被检测到。因此从这个意义上说，真正实现通过引力波的观测来从实验上研究天体系统，从而完善引力波天文学这一新兴领域还为时尚早。

但从相关的理论研究角度来看，理论上的引力波天文学已经存在，它的发展基础是20世纪中叶以来在引力辐射框架下的天体物理学研究,其中最著名的例子是普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯（Russel Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）发现的脉冲双星，PSR 1913 16，这些研究使人们逐渐发现相对论性引力在天体系统中的重要地位。

而从实验的角度来看，引力波的探测技术研究已经取得了相当的成果，研究人员预测人类很有可能在不远的将来实现对引力波的直接探测。

广义相对论预言下的引力波来自于宇宙

间带有强引力场的天文学或宇宙学波

源，近半个世纪以来的天体物理学研究

表明，引力辐射在天体系统中出现的场

合非常丰富。这些可期待的波源包括银

河系内的双星系统（白矮星、中子星或

黑洞等致密星体组成的双星），河外星系

内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自

转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于

它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

当代引力波天体物理学:引力辐射在很多已知的天体系统的动力学中都起到了很显著的影响。这里例举了几个引力辐射在某些天体系统中的著名应用，某些应用如脉冲双星PSR1913 16是引力波间接观测的典型实例，但更多的应用还只是理论上的解释。

激变变星

最早的天体系统中的引力辐射效应解释

是由加利福尼亚大学圣塔克鲁兹分校的

约翰·福柯纳（John Faulkner ）首先提出

的]，他的模型是一个激变双星系统。这

类系统一般都包含有新星，存在着白矮

星从其伴星（在福柯纳的模型中是一颗

红矮星）吸积物质的过程。与中子星的

吸积过程中氢元素很快转变为重元素不

同，白矮星吸积过程中的氢元素会不断

积累最后导致链式核反应，从而形成系统对外可见的突发辐射，因此系统被命名为激变变星。

福柯纳计算了一个同时满足质量和角动量守恒的圆轨道激变变星模型。从简单的牛顿动力学就可以导出在吸积过程中，如果质量从较大质量恒星向较小质量恒星转移，系统的轨道会收缩，相反方向的转移则会造成轨道扩张。存在有白矮星吸积的变星系统中，随着质量向较小质量恒星的转移，两颗恒星的距离逐渐被拉近，其结果会进一步使吸积速率越来越快；直到两颗恒星质量通过吸积达到相等状态后，吸积过程成为了较小质量恒星向新的大质量恒星的质量转移，这将导致系统的轨道扩张和两颗恒星距离拉开。在这种情形下，吸积的速率本该逐渐降低，但事实是观测到吸积的速率保持基本恒定的。福柯纳指出轨道运动辐射出的引力波会携带一部分角动量，从而使两颗恒星的距离保持接近的趋势，即轨道扩张和引力辐射两种效应整体上共同决定了吸积速率保持恒定。福柯纳运用四极矩公式计算了激变变星的引力辐射效应，其结果和实验观测相当符合。

脉冲双星PSR 1913 16

轨道系统的引力辐射效应中，最著名的例子是1975年

普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯和约瑟夫·泰勒发现的

脉冲双星，PSR 1913 16（也被称作PSR B1913 16）。

这一系统由在一个密近的偏心轨道上旋近的两颗中子

星构成，是首个被发现的脉冲双星，从发现至今已被

观测了三十多年。脉冲星是一个稳定的时钟，这使得

人们能够运用非相对论的数据分析方法从脉冲信号的

抵达时间推算出系统轨道的基本参量（如椭圆轨道半

长轴的投影、偏心率等），而从广义相对论导致的抵达

时间变化能够推算出与相对论效应有关的参量（如近

星点的进动角速率、引力红移等），从这些参量可以进

一步推算出双星系统的倾斜度、质量等（得到的两颗

恒星质量都在1.4倍太阳质量左右）。引力辐射导致的

系统动能损失表现为双星轨道的衰减，进一步表现为

轨道运动周期的逐渐降低，理论计算得到的每秒钟内

的周期变化为-2.40242 \pm 0.00002 \times 10^{-12}\,秒[14]。这一理论预言和实验观测结果符合得相当好，而实验观测误差则低于1%。迄今为止人类从引力辐射

角度对爱因斯坦方程正确性的验证中，这个实验是精确度最高的。

宇宙背景辐射宇宙背景探测者（COBE ）对宇宙微波背

景辐射的最初观测开启了对早期宇宙研

究的新窗口。而由美国国家航空航天局

发射的威尔金森微波各向异性探测器

（WMAP ）和由欧洲航天局即将发射的

普朗克探测器（PLANCK ）能够显著提

高对这种小尺度的各向异性观测的灵敏

度。这些小尺度的各向异性有可能来自

大爆炸留下的微波背景辐射，也有可能来自宇宙早期的质量密度微扰形成的引

力背景辐射，因此原则上能够为早期宇宙形成时留下的引力背景辐射的能量密度提供约束条件。尽管这些探测器不能区分来自不同原因的各向异性，但目前为止这是对极低频的引力背景辐射探测的唯一手段。这些引力波所携带的信息将有助于理解早期星系形成以及利用各向异性测量宇宙学参数。而现有的引力波探测器原则上也能够测量引力波的背景辐射，但即使它们的灵敏度达到了能够观测的程度，在频域上也仅限于较短波长的范围内，因为受干涉臂长的限制，探测器无法对太长波长的引力波进行测量

引力波的性质

引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了

引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。

引力波的探测

虽然科学家们一直在努力探寻宇宙中的引力波，但是，直到20世纪70年代，都还没有找到引力波存在的直接证据。于是，只得退而求其次，找间接证据。根据理论，相互绕转的双星脉冲星会发射引力波。如果是这样，它们就会因发射引力波而损失能量，它们的轨道周期会因此而缩短。于是，科学家便选定观测双星脉冲星的轨道周期变化，来间接证实它们是否发射引力波。

1974年，科学家们选定了天鹰座中距地球17000光年的一对双星脉冲星进行观测。在那以后的12年中，测得它们的轨道周期以每年76毫秒的速度在减小。这与根据爱因斯坦理论的计算结果精确地相符。

既然宇宙中存在引力波，那么，在地面上就应该能检测从太空传来的引力波。从理论上说，像电磁波引起天线振荡一样，引力波也会使物体产生某种振荡，如使弹性物体产生轻微的波动，使刚性物体产生伸长和缩短的变形等。检测到这些振荡，也就是检测到了引力波。

如果在地面上检测到了引力波，不仅证明宇宙中引力波的存在，而且可以知道每一个引力波源的方向和它的主要特性。因为物体波动或伸缩的方向就是引力波源的方向，物体中两点之间的距离在引力波作用下发生的变动，反映引力波的振幅，而波的振幅是它的能量的量度。因此，引力波探测器也就成了引力波望远镜。

美国在路易斯安那州和华盛顿州建造了两台激光干涉仪引力波观测台，它们相距3000千米。每个观测台上有一个L形真空管探测臂，长4千米，在管的两端和转弯处有反射镜，让激光束在镜面之间来回反射。激光在弯处的镜面上通过干涉产生明暗条纹光带。如果有引力波通过，由于时空畸变，会使相互垂直的探测臂一个伸长、一个缩短，光带因而发生变化。相隔3000千米设两个观测台，是为了排除地球上地震、雷暴和火车行驶、飞机飞行等各种干扰因素，因为这些因素不可能在两地同时发生。这个观测台2002年开始启用，能探测到10-18米的长度变化。但迄今没有探测到引力波。

美、欧科学家计划在2012年发射航天器，利用太空的广阔距离对引力波进行探测。其方案是，将3对探测器送入太空，让它们组成等边三角形，相邻两对探测器之间的距离为500万千米，它们在地球后面以20度的夹角一起绕太阳运行。3对探测器之间用激光测量距离。如果有引力波传来，它会挤压时空，使3对探测器之间的距离发生微小的变化。灵敏的激光可测出一个原子直径大小的位移。由于它们所占的地域比地球上的探测器大得多，因而可能探测到更多的引力波源；灵敏度也更高，或许能探测到宇宙大爆炸时产生的原始引力波。

现在的各种望远镜，都是通过接收电磁波进行宇宙探测的，但是，在宇宙大爆炸后的头100万年中没有电磁辐射；黑洞一般不发射电磁波；中子星、超新星核等致密星体和超密物质一般电磁辐射都较弱，通过电磁辐射所能揭示的信息很少。但它们却是最强的引力辐射源。由此可见，引力波望远镜与传统望远镜有很强的互补性；还有，引力波与电磁波不同，它可穿透任何物体，也不被任何物体所吸收，来自遥远引力辐射源的引力波，不会损失任何所携带的信息。因此，引力波望远镜可以探测到许多原始信息。一句话，引力波望远镜为我们探测宇宙开设了一个崭新的窗口

结束语

爱因斯坦于1916年曾预言,加速的质量可能有引力波存在,但他提出的引力波与坐标选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，这就间接地证明引力波携带着能量，并可被探测到。

因为对引力波的探测不仅可以进一步验证广义相对论的正确性，而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景，茫茫宇宙，至个有物质，到处有引力辐射。约100年前对电磁波的验证，使人类从此进入电子时代，取得了惊天动地的巨大成就，那么，让我们设想一下，要是有朝一日，引力波被完全确证，人类社会将会发生怎样深刻的变化呢？

参考资料

韦伯著,陈凤至、张大卫译:《广义相对论与引力波》，科学出版社,北京,1977。(J.Weber,General Relativityand Gravitational Waves, Interscience Publ.,NewYork,1961.)

网站:

https://www.wendangku.net/doc/6117234913.html,/wiki/Gravitational_wave

https://www.wendangku.net/doc/6117234913.html,/wangluokejian/wl/td/kpcl/kpcl27.htm

生物谷网站https://www.wendangku.net/doc/6117234913.html,

引力波的发现历程

引力波的发现历程班级：12级物理一班姓名：陈昊昱学号：1207020008 摘要：引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。关键字：引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波一、引力波初期探索牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛

顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。二、引力波检测的开拓者爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引

广义相对论基础

广义相对论基础 Introduction to General Relativity 课程编号：S070200J15 课程属性：学科基础课学时/学分：60/3 预修课程：大学理论物理、高等数学教学目的和要求: 本课程为物理学、天文学研究生的学科基础课，同时也是为今后有可能接触到引力理论的其它学科研究生的学科基础课。主要介绍爱因斯坦的广义相对论。使学生具有在今后接触到引力场问题时，能通过阅读有关书籍文献对更深入的问题进行了解的能力。本课强调弄清物理和几何图像。本课不涉及引力场量子化、引力和其它作用之统一以及以抽象数学工具表现时空几何等问题。本课也扼要对广义相对论的观测和实验检验，黑洞问题和宇宙学问题进行简要地介绍。内容提要: 第一章张量分析基础张量代数，联络，协变微商，测地线方程，Killing矢量。第二章引力场方程引力与度规，引力红移，黎曼曲率张量，Bianchi恒等式，引力场方程。第三章场方程的应用（Ⅰ）西瓦兹解，西瓦兹场中质点的运动，光线偏折，引力透镜效应，雷达回波，0Kruskal坐标和黑洞，Keer度规。第四章场方程的应用（Ⅱ）宇宙学原理,共动坐标系，Robertson-Walker度规，宇宙学红移，标准宇宙学模型简介。主要参考书： 1. R, Adler， M.Bagin,M.Schiffer，Introduction to General Relativity（第二版），McGraw-Hill Book Company，New York，1975. 2. 俞允强，《广义相对论引论》，北京大学出版社，北京，1997。 3. S. Weinberg，Gravitation and Cosmology，John Wiley Sons,Inc.，New York，1972. 撰写人：邓祖淦(中国科学院研究生院) 撰写日期：2001年09日

光的干涉及其应用

光的干涉及其与应用（作者：赵迪）摘要我们通过对光的干涉本质、种类及其各种应用做了一定的查阅与思考，汇总成为该文章。中文中重点介绍的是，光的干涉在日常生活中、普通物理实验中的应用以及在天文学方面的发展和应用，由于文章内容和字数的限制，我们不能对所有提到的应用做出详细的表述，仅取其中的几个例子进行具体的介绍。关键词光的干涉等倾干涉等厚干涉照相技术天文学 1 绪论我们知道在光学的发展史上，“光的本质”这个问题进行了将近4个世纪的争论，直到爱因斯坦提出“波粒二象性”才将这个问题的争论暂时告一段落，本文所提到的的光的干涉现象就是这段精彩历史上不可磨灭的一部分。 1801年的英国由托马斯·杨设计的杨氏双缝干涉实验使得“微粒说”近乎土崩瓦解，并强有力的支持了“波动说”。1811年，阿拉格首先研究了偏振光的干涉现象。现代生活中，光的干涉已经广泛的用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自控等许多领域。虽然“波粒二象性”已经作为主流说法，终结了这个问题的争论，但是对于现代生活来说，光的干涉及其理论所带来的影响却是不可或缺的。我们将在本文中简单介绍一下光的干涉在日常生活中、普通物理实验中的应用以及在天文学方面的发展和应用。 2 光的干涉现象与产生 2.1 现象简介干涉，指满足一定条件的两列相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的震动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有着稳定的空间分布，而忽略时间的影响。

图2-1 复色光的干涉图样由于光也具有波动性，因此，光也可以产生干涉现象，称为光的干涉。光的干涉通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间的条纹或圆环的分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随空间改变时，某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替变化。 2.2 产生条件 2.2.1 主要条件两列波的产生干涉的条件是：两列光波频率一致、相位差恒定、振动方向一致的相干光源才能产生光的干涉。由于两个普通独立的光源发出的光不可能具有相同的频率，更不可能存在更不可能存在固定的相位差，因此，不可能产生干涉现象。图2-2 单色光的干涉图样 2.2.2 补充条件由于干涉图样的效果会受到称比度的影响，因此，两列相干波还须满足三个补充条件：①参与叠加的两束光光强不能相差太大；②参与叠加的两束光振动的夹角越小越好，虽然理论上小于2 即可产生叠加，但是对比度效果不好，即最好接近平行；③光程差不能相差太大。

狭义相对论和广义相对论

要了解狭义相对论和广义相对论的区别，我们首先要搞清楚，这两个理论大概说了什么？狭义相对论我们先从狭义相对论说起，其实狭义相对论解决了一个物理学的重大矛盾。在爱因斯坦之前，最成功的两个理论分别是牛顿提出的牛顿力学和麦克斯韦提出麦克斯韦方程。只不过，这两个理论有个矛盾，那就是：光速。具体来说，牛顿的理论认为，速度可以不断地进行叠加，没有上限，只要你加得上去就行。可是，麦克斯韦方程得出的光速是一个固定值，似乎暗示着光速无论在什么惯性坐标系下都是一样的。要知道，我们在使用牛顿力学时，是需要先选定参考坐标的。因此，科学家就在思考，是不是存在一个奇怪的坐标系，让光速一直保持一个速度，它们管这个叫做以太。于是，一群科学家就拼了命地去找“以太”，然后他们接二连三地失败了。后来，26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论。

有人说他高举了奥卡姆剃刀原理才成功的，这个奥卡姆剃刀原理大意是：如无必须勿增实体。翻译过来就是，咋简单咋来。既然光速是不变的，那为啥还要假设“以太”？于是，爱因斯坦就以“光速不变原理”和“相对性原理”为基础假设，推导出了狭义相对论。这个过程就有点像平面几何，就只有五条公设，但是能搞出一整套体系。而这里的相对性原理，说白了就是经典物理学的老套路，在研究运动时，需要先选个惯性参考系。通过这两条假设，爱因斯坦出了很多奇葩的结论，比如：时间膨胀。说的是，如果你想对于我高速运动，那我看你的时间就会变慢，这种变慢可以理解成，如果你在高速的飞船里做操，那我这里看到的就是你在慢动作做操。而你自己其实感觉到的时间是正常流逝。所以，是以我参考系看你时间膨胀了。如果你也看到，你也会发现我的时间也变慢了，因为我想对于你也是在高速运动的。

量子测量,弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用

量子测量，弱测量的基础研究及其在引力波探测中的应用 2016年,美国激光干涉引力波天文台发文宣称利用千米量级引力波探测仪首次探测到13亿光年外双黑洞并合产生的引力波,证实了一百年前爱因斯坦关于引力波的预言。这是一个注定载入科学史的历史性时刻,在伽利略首次使用光学望远镜观测宇宙的四百年后,人类再次拥有观测宇宙的新窗口。如果对于电磁波的探测使得人类看到了绚丽多彩的宇宙,那么对于引力波的探测将使我们听到来自宇宙深处的天籁之音。迄今为止,LIGO和VIRGO科学共同体已经发布了 6 次引力波事件,其中前5起均为双黑洞并合产生的引力波,而最引人瞩目的第6 次引力波事件来源于双中子星旋近过程,其光学对应体被全球几十家天文学机构观测到,标志着多信使天文学的正式开端。引力波探测仪的核心是一台“魔改”版迈克尔逊干涉仪,大量高精尖技术的使用使得探测仪的探测灵敏度在探测窗口内高到可以探测到质子半径万分之一的长度变化,令人叹为观止。尽管如此,由于引力波极其微弱,现有引力波探测仪的探测灵敏度仍然需要被进一步提高以满足未来引力波天文学研究的需要。目前提高探测灵敏度的方法主要聚焦于技术升级和建造更长臂长的探测仪。一个有趣和重要的问题是,不同于现有的技术路线,我们是否有可能找到一种基于不同运行原理的新型引力波探测仪?量子测量理论的最新进展,特别是关于量子弱测量的研究提供了这种可能性。量子弱测量理论由Aharonov,Albert和Vaidman于1988年首次提出,其基本框架是系统与指针弱耦合后再对系统进行后选择,通过测量指针获取系统的信息。由于量子弱测量在诸如解决量子悖论,直接量子态重构,特别是信号放大等方面的应用,使其成为近十年来的研究热点。在本论文中,我们首先解决了在量子弱测量框架内实现普适的极小相位信号放大的困难并给出了具体的光学实现构型,在此基础上,通过引入光学腔,我们正式提出并设计了以弱测量放大为基础的新型激光干涉引力波探测仪WMAGO。详细的量子噪声谱计算表明,WMAGO在较高频段有潜力比现有的引力波探测仪如LIGO等拥有更低的量子噪声,这意味着对于以量子噪声为主要噪声的引力波探测仪,WMAGO可以在较高频段拥有更好的探测灵敏度以及更大的带宽。本博士论文包含的研究结果有以下几个方面:1:基于只有可观测量的本征态

广义相对论简介

广义相对论简介引子由牛顿力学到狭义相对论，基本观念的发展是，其一：由一切惯性系对力学规律平权到一切惯性系对所有物理规律平权；其二：由绝对时空到时空与运动有关。爱因斯坦进一步的思考：非惯性系与惯性系会不平权吗？物质与运动密不可分，那么时空与物质有什么关系？关于惯性和引力的思考，是开启这一迷宫大门的钥匙，最终导致广义相对论的建立。 §1 广义相对论的基本原理一、等效原理 1. 惯性质量与引力质量实验事实：引力场中同一处，任何自由物体有相同的加速度。根据上述事实及力学定律，可得任一物体的惯性质量与引力质量满足常量，与运动物体性质无关，选择合适的单位，可令＝＝，即惯性质量与引力质量相等。从而，在引力场中自由飞行的物体，其加速度必等于当地的引力强度。 2. 惯性力与引力已知在非惯性系中引入惯性力后，可应用力学规律，而惯性力。在此基础上，讨论下述假想实验。 1) 自由空间中的加速电梯(如图1) 以为参考系,无法区分ma 是惯性力还是引力。因此，也可以认为是在引力场中匀速运动的电梯。 2) 引力场中自由下落的电梯S*(如图2) 以S*为参考系，无法区分是二力平衡还是无引力。因此，也可认为S*是自由空间中匀速运动的电梯。以上二例表明，由＝，可导出惯性力与引力的力学效应不可区分，或者说，一加速参考系与引力场等效。当然，由于真实引力场大范围空间内不均匀，图图1 图 2

因此，这种等效只在较小范围空间内才成立，我们称之为局域等效。 3. 等效原理弱等效原理：局域内加速参考系与引力场的一切力学效应等效。强等效原理：局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效。广义相对论的等效原理是指强等效原理。 4.对惯性系的再认识——局域惯性系按牛顿力学的定义，惯性定律成立的参考系叫惯性系。恒星参考系是很好的惯性系，不存在严格符合此定义的真正的惯性系。惯性系之间无相对加速度。按爱因斯坦的定义，狭义相对论成立的参考系，或（总）引力为零的参考系叫惯性系。因此，以引力场中自由降落的物体为参考的局域参考系是严格的惯性系，简称为局惯系。引力场中任一时空点的邻域内均可建立局惯系，在此参考系内运用狭义相对论。同一时空点的各局惯系间无相对加速度，不同时空点的各局惯系间有相对加速度。二、广义相对性原理原理叙述为：一切参考系对物理规律平权，即物理规律在一切参考系中的表述形式相同。为了在广义相对性原理的基础上建立广义相对论理论，爱因斯坦所做的进一步工作是使引力几何化，即把引力场化作时空几何结构加以表述。对广义相对论普遍理论的研究数学上涉及黎曼几何、张量分析等，超出本简介范围，下面只作浅显的说明。 §2 引力场的时空弯曲一、弯曲空间的概念从高维平直空间可观测低维平直空间与弯曲空间的差异。平面——二维平直空间内：测地线（即两点间距离的极值线）为直线，三角形内角和＝，圆周长＝。球面——二维弯曲空间：测地线为弧线，如图。三角形(PMN)的内角和＞，圆周长＜。故通过测量可判定空间弯曲。(如图3) Array二、引力场的空间弯曲讨论爱因斯坦转盘(如图4) 相对惯性系S以角速度均匀转动的参考系。由S系可推知系中的测量结果（狭义相对论）图 3

广义相对论的理解

11、广义相对论的几个疑难问题 1、暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%，各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据认为，这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。天文学家已经证明：宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍的星系到最大星系团，都是由一种物质形式所维系在一起的，这种物质既不是构成我们银河系的那种物质，也不发光。这种物质可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成，该物质的聚集产生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时，这些粒子可能穿过地面实验室。美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。尚未发现的其它粒子有可能存在，例如一种称为超对称的新对称理论预言有一种大的新类型的粒子，其中有些可解释暗物质。现正在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强子对撞机（LHC）上开展的实验，以及地下低温暗物质寻找和空间利用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验，目的都是要寻找超对称粒子。阿尔法磁谱仪（AMS）安装在国际空间站上，寻找反物质星系和

浅析潮汐原理及其应用

浅析潮汐原理及其应用潮汐是地球上普遍存在的一种自然现象，它是在太阳、月亮引潮力的作用下，在地球的岩石圈、大气圈和水圈中分别产生的周期性运动，故潮汐包含固体潮汐、大气潮汐和海洋潮汐三种形式。本文将针对表现形式最明显也是我们最常见的海洋潮汐（以下简称潮汐）进行讨论，重点介绍了什么是潮汐，潮汐形成的原理是什么，以及潮汐在我们生产生活中有那些应用。标签：潮汐潮型周期性引潮力潮汐能灾害预警前言物理是研究世间万物规律的一门学科，在我们生活中有许多神奇的物理现象，有些现象即便经常见，但不经过学习我们很难把握这些现象发生的真正原因。常年在海边生活的人们都会看到海水有一种周期性的涨落现象，中国古时为了解释这种现象，给其赋予了很多神话色彩，认为存在海神每天操控海水的起落，潮水大的话就认为是海神发怒造成的。现今我们通过学习已经认识到海水的涨落是一种自然现象，而且我们也已经开始利用这种自然现象来造福人类，但究竟潮汐形成的原因是什么，其有什么规律，还是有很多人并不了解。一、什么是潮汐我国古书上有说：“大海之水，朝生为潮，夕生为汐。”故中国人称海水早上上涨为潮，晚上上涨为汐，合称为潮汐。各地潮汐的时刻、持续时间、大小均不相同，但大致上可分为三种类型：半日潮型：一昼夜内（一个太阴日）出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差和后一次高潮和低潮的潮差几乎相等，约等于6小时12.5分钟，我国东海、黄海、渤海沿海多数地点便属于这种潮型，如青岛、厦门等地；全日潮型：一昼夜内只有一次高潮和一次低潮，高潮和低潮之间的时间差约为12小时25分，我国南海地区有这种潮型，其中南海的北部湾是世界上最典型的全日潮海区；混合潮型：混合潮是正规半日潮和全日潮之间的过渡潮型，一般又分为“不正规半日潮”和“不正规全日潮”，表现为一个月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但较半日潮型潮差较大，有些日子出现一次高潮和一次低潮，但较全日潮型潮差较小，我国南海海区多数地区为这种潮型。二、潮汐形成的原理潮汐是由于太阳、月球和地球相对位置的不断改变及地球自转在一昼夜中地表各处受太阳、月球引力和合力不断改变，导致海水周期性涨落的现象[1]，导致海水涨落的这种合力我们也称之为引潮力。牛顿的万有引力定律表明：引力的大小与两个物体的乘积成正比，和两个物体之间的距离成反比，在不考虑其他星球的微弱作用力的情况下，月球和太阳对海洋的引潮力的作用是引起海水周期性涨落的原因，其中月球的作用约是太阳作用的两倍。我们先来说说月球的作用[2]，在离月球最近的地面上的物体，绕地、月共同质心（月球绕地球运动，可

引力波论文

浅谈引力波的历史、定义及意义摘要：在爱因斯坦提出引力波概念100周年以后，美国的LIGO【激光干涉引力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）】和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。这是物理学界里程碑式的重大成果，引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。关键词：广义相对论引力波探索历史意义

2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: We have detected Gravitaiton Waves.We did it!（我们已经探测到引力波，我们做到了！）瞬间这一消息引爆微博、朋友圈等各大平台。作为一名大一的学生，我对这一“不明觉厉”的名词产生了浓厚的兴趣，在看过若干生动形象的科普视频、现场发布会实录、对著名科学家霍金的这方面的采访，查阅过相关文章后，决定系统地浅谈一下关于引力波的渊源、探索历史、具体定义，及这项轰动全球的事件背后重大的意义。 1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。简单生动地来讲，引力波是时空中的涟漪。如果把时空想象成一张巨大的橡胶模，有质量的物质会让橡胶模弯曲，好比在蹦床上扔了个保龄球，质量越大，时空被引力波扭曲的越厉害。举个例子来说，地球绕着太阳转，是因为太阳的质量非常大，导致其周围的时空大大形变，如果想沿着这样的形变走直线，你会发现，事实上是在绕圈，轨道就是这样来的，并没有什么力拉着行星绕圈，只是时空弯曲着。有质量的物质一加速，改变了时空中的扭曲，引力波随之而生。任何有质量并且（或者）有能量的东西，都能产生引力波。要是两个人彼此相绕跳一支舞，他们也会导致时空的涟漪，但非常微不足道，实际

天文学论文

关于大爆炸宇宙论的看法在学完天文学概论这门课程后，我对于我们现在所处的地球以及整个宇宙都产生了极大的敬畏、尊重之情和好奇心。同时也发现，在讨论天文学的同时脱离不了物理学的讨论，天文与物理息息相关。在听了老师对整个宇宙的起源及发展的讲述后，我对其中的大爆炸宇宙论产生了极大的兴趣。在此之前有许多的科学家都对宇宙的构造和本原提出了观点。由文艺复兴时代哥白尼的日心说开始，建立了牛顿静态宇宙观。牛顿静态宇宙观不单指牛顿本人的论述，而是泛指在牛顿经典力学体系架构下，对宇宙整体特性形成的观念。牛顿静态宇宙观的基本观点是：时间和空间是绝对的，相互独立的；时间和空间都是无限的。但后来人们发现了原子内部的秘密，窥测到了遥远河外星系的行踪。普朗克实验启发了薛定谔等人，使他们创建了量子力学。这些发现都与牛顿经典力学中的理论所相悖，而更与爱因斯坦的广义相对论更加契合。而后爱因斯坦提出了有限无界宇宙模型，模型服从黎曼几何学。这个模型指出现实的三维空间是一个无界空间，没有边界；宇宙是没有中心的。但只要有物质，宇宙中就存在引力场，引力场的大小与时空弯曲的程度有关。时间和空间的结构和性质是依赖物质的，不能独立于物质而绝对地存在。如果物质没有了，时间和空间也就跟着没有了。爱因斯坦为了克服静态宇宙模型的不稳定性在

引力场方程中加入常数表示宇宙项，但后来在1992年，苏联数学家弗里德曼通过求解出不含宇宙项的引力方程的通解而得到一个膨胀的有限无界宇宙模型，而这个模型最终也被天文观测所证实。在膨胀的有限无界宇宙模型的观念下，伽莫夫和阿尔弗、赫尔曼提出了一个比较完整的宇宙创新理论。该理论提出，宇宙是在高温高压的状态下，原始的基本粒子即中子突然膨胀，中子衰变转化为其他粒子后，逐渐形成其他的元素，从而形成整个星系等天体。当时由于没有条件去证明这个理论是否成立，也没有什么科学家认为这一理论是正确的。当时并没有受到重视，被人们戏称为“大爆炸理论”。20多年后，理论被证实后才成为了举世公认的“标准宇宙模型”。在大爆炸理论中，在最开始的三分钟里就已经快速地发生了许多反应。我们根据相等的宇宙温度下降间隔来将最初的三分钟里发生的反应逐一看清楚：（1）第一个画面：宇宙温度为1011K，充满着数量丰富的粒子，包括电子及其反粒子、正电子、光子、中微子。在第一个画面中，宇宙的密度非常大，逃逸速度也相应变大，宇宙膨胀的特征时间约为0.02S i。其中，最重要的反应是：反中微子+质子?正电子+中子；中微子+中子?电子+质子。假设中微子与反中微子、正电子和电子数量都相差不多，质子转化为中子和中子转化为质子的速度也就相差无几，质子数和中子数大致相等。（2）第二个画面：宇宙温度为3×1010K，宇宙中的主要成分的粒子仍处于热平衡状态，还没有质的变化。因此，能量密度按照温度的

曾育盼_广义相对论与宇宙学学习感想

《广义相对论与宇宙学》学习感想粒子物理：曾育盼16212299 我导师是研究暗物质理论的张宏浩老师，也是《广义相对论与宇宙学》任课老师。在学这门课前我学过一点广义相对论的皮毛，学完之后感觉受益匪浅，下面我将谈谈我的学习感想。我们知道广义相对论是狭义相对论的推广，它将狭义相对论从惯性系推广到了非惯性系，从平直空间推广到了弯曲时间。而我也了解到量子场论是狭义相对论与量子力学的结合，老想着统一量子力学与相对论的我某一天学广义相对论时突然想到：度规可以描述时空的弯曲，量子场论中也有度规，那把弯曲时空的度规代入不就得到了弯曲时空的狭义相对论与量子力学了吗？这不就是广义相对论与量子力学的结合吗？虽然挺激动，但是隐隐觉得不会这么简单。在第一节《广义相对论与宇宙学》课后，我向张老师请教这个问题，张老师说：对呀，这就是弯曲时空的量子场论。我说：那这不就是广义相对论与量子力学的结合吗？老师说：但是这是半经典的，引力并没有量子化。一语点醒梦中人。我想起了玻尔的半经典氢原子模型，虽然是半经典的，但是物理发展上也起了重要作用。也许这种半经典的理论也会打开一条新道路。昨天去听施郁老师的讲座，他提了一下弯曲时空的量子场论是半经典。我突然想：广义相对论和量子力学是不可调和，但是似乎人们默认量子力学是正确，广义相对论需要被修改（量子化），也许结果是量子力学需要被“相对化”呢！除了教书育人，张老师还邀请知名学者梁灿彬与戴自海老师来课

上给我们做讲座。梁老师的讲座涉及黑洞、虫洞、多维时空。其中四维立方体的循序渐进的推演令人印象深刻。还有关于穿越的过程，并不是像我开始想的那样是从虫洞的洞里穿过的，而是沿着洞壁穿过的。我们平常看到虫洞的图，只有那个面（压缩掉一维）才是我们的活动区域。而额外维也是一个神奇的东西。戴老师讲了宇宙的起源。其中的暗能量令我印象深刻。我问他暗能量用什么来描述，老师说就是爱因斯坦的宇宙常数。我震惊于这么复杂的东西原来只是用这么简洁的常数来描写。之前我也看过爱因斯坦场方程。也知道由它引出了宇宙学这样一门学问。而宇宙看起来这么纷繁复杂，让人觉得宇宙学也必定是一门纷繁复杂的学问。那么由场方程推出宇宙学方程的过程应该也是复杂的。但是看过张老师在《广义相对论与宇宙学》课上的推导，我才发现原来宇宙学并没有那么复杂。宇宙学方程甚至看起来有点简洁优美。而从场方程推出水星进动、引力波、黑洞等也没有想象中的那么复杂。一个方程可以导出这么多有趣现象，充分说明了广义相对论的强大。总结：张老师的《广义相对论与宇宙学》课轻松幽默，收获多多：学到了知识，解决了疑惑，还更新了一些观念。当然，由于我个人的懒惰与后期重心放到了量子场论上，对于广义相对论的学习并不是很深入，希望之后的学习可以对广义相对论与宇宙有进一步的了解。

浅谈爱因斯坦相对论感想

浅谈学习爱因斯坦相对论的感想

在学习这们课程前对于相对论只是在书籍或一些科普节目听说过，通过老师深入浅出的讲解后对爱因斯坦的相对论也有了初步的了解。在学习过程中也有了自己一些体会与见解。虽然比较偏面与浅薄但也为自己在学习上打开了又一扇门。在狭义相对论之前，牛顿继承伽利略等科学家的成果，加上自己的总结归纳以及在数学上创立用微积分解决变加速问题的方法，创立了以牛顿运动力学为核心的经典运动力学（也叫古典运动力学）。但是，在19世纪许多的科学技术革新后，人类对于非运动学的电磁现象有了深入的探索，许多电磁学的物理规律直接违反古典运动力学的定律。在古典运动力学中，光速没有任何理论限制，可以任意大，而且可以是不恒定的，这缺乏实验根据，仅仅是早期科学家的猜测。然而，电磁学精确实验验证：真空光速与真空介磁常数及真空介电常数直接相关，也是一个常数！这些尖锐矛盾导致大家对于缺乏精确实验证据的古典运动力学产生怀疑。为解决这个矛盾，爱因斯坦创造性地以电磁学理论出发，承认真空光速最大且对于任意观测者恒定，并且遵从电磁学中物理规律对于不同观测者都相同两个原则，成功推导出洛仑兹先生通过精确电磁学实验测定出的轮伦兹变换公式。于是，狭义相对论诞生了，它纠正了古典运动学在电磁

学上的错误，并且涵盖了古典运动学的基本定律，统一了运动力学和电磁力学。相对论问世,人们看到的结论就是:四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说等等.这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言全世界只有两个半人懂相对论".更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论.其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不是高不可攀的. 广义相对论就是说由于物质的存在引起了时空的弯曲，通俗理解是：如果一个“空间”中的任意一个“点”最少需要n个线性无关的有序数组（向量）来描述，我们就可以认为这是一个数学上的n维空间。我们的普通空间需要用三个数来描述：长、宽、高。但这样描述的仅仅是一种静态的图像，要想描述物质的运动，还应该引入一个数：时间。这样，如果想描述完整的物质运动，就需要用四个数来描述。广义相对论预言了引力波的存在,否定了万有引力定律的超距作用.当光线由恒星发出,遇到大质量天体,光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是稳定的,它要么膨胀要么收缩。以上便是我对最近学习爱因斯坦相对论的粗浅体会希望在以后的学习中有进一步的提高。

相对论

相对论（关于时空和引力的基本理论）相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对的区别是，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。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。狭义相对性原理是相对论的两个基本假定，在目前实验的观测下，物体的运动与相对论是吻合很好的，所以目前普遍认为相对论是正确的理论。研究发展编辑研究历程广义相对论 1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。[1] 1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。[2] 1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根

相对论与量子力学的矛盾问题

论多维空间中量子力学与相对论的矛盾问题阿尔伯特·爱因斯坦一生发现了很多东西，最重要的是提出了量子力学和广义的相对论。广义相对论代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平，在天体物理学中有着非常重要的应用，还提出了引力和引力波的存在，是现代宇宙学膨胀宇宙论的理论基础。并且它是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。量子力学是研究原子和次原子等“量子领域”的运动规律的物理学分支学科，基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。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，或者说怎样理解这两大理论的统一？这个矛盾问题在科学家们提出的多维空间里有了解释。首先我们先来了解一下我们的多维空间。"维"是一种度量，在三维空间坐标上，加上时间，时空互相联系，就构成四维时空。现在科学家的理论认为整个宇宙是十一维的，只是人类的理解只能理解到三维。零维是点，一维是线，二维是面，三维是静态空间，四维是动态空间（因为有了时间）。在这个四维时间线上任何一点都有无限种发展趋势，从四维上的某一点分出无限多的时间线，构成了五维空间。五维空间上两条时间线如同二维空间（如报纸上的两个对角点）不能直接到达，而把报纸对折就可以直接到达报纸上的对角点。五维空间也可以弯曲，产生了六维空间，在六维空间中可以直接到达五维时间线上的任意一点。七维空间包括了从宇宙大爆炸开始到宇宙结束，所有空间维，所有时间维上的所有可能性，以及在任意两点直接到达的可行性。五维空间是某一点产生无限个发展趋势，七维是所有点即无限点上产生无限个时间线。，八维空间中包括了从大爆炸处产生的无限多个宇宙，这些宇宙中有不同的物理定律，不同的引力常数，或许有没有万有引力也说不定，不同的光速。九维空间则是八维空间的弯曲，在八维空间中，不到直接在各个宇宙中到达不同的两点，而九维空间中则可以在八维空间中的两点间直接到达。根据超弦理论，最小粒子不是实体的物质，而是由不同振动频率的超弦形成的物质，不同的频率产生了不同外在表现。在十维空间中，物质已经没有差别，或是已经没有物质。只存在不同振动频率的弦。在十维空间中一切皆有可能。在超弦理论的研究中，发现十维空间还有理论漏洞，新的膜理论就在超弦的线上展拓成超膜，以十一维空间来解释宇宙。理解了宇宙的空间有更多维存在，再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的，我们就很容易理解了：这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维空间里才能得到统一。

爱因斯坦广义相对论

爱因斯坦广义相对论广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广

广义相对论的学习总结

广义相对论的学习总结 1.引言 1.1前言经过过去一年对广义相对论的学习，基本对广义相对论的基本原理和运用有了比较完整的认识。这篇文章是为了总结自己学习的体会，尽量用自己的语言谈谈对广义相对论的理解。由于作者水平有限，也为了文章的简洁，所以省去数学推导，仅保留基本的数学公式和方法说明。广义相对论是爱因斯坦一大理论成果，可以解释宏观世界一切物体的运动，可以在一切坐标系下运用，本身又保持了相当完美的对称性和简洁性。随着空间探测技术的发展，广义相对论的许多结论都得到了证明，而广义相对论和量子力学构成了现代物理的两大支柱。 1.2导语在具体介绍广义相对论的内容之前，我想用自己的语言，对广义相对论的思想和研究问题步骤做一个小的总结和介绍。总的来说，广义相对论是建立在四个假设之上，通过这四个假设，爱因斯坦认为惯性场和引力场等效，以及所有参考系的平权性。然后爱因斯坦把引力场认为是一种几何效应。是由于质量在空间上的分布不均匀，导致空间的空间扭曲。在数学上，用张量来代表物理量，以满足物理规律在所有参考系下都成立。用黎曼几何来刻画弯曲空间，联络来描述引力强度，曲率

张量来描述空间弯曲，度规张量来描述引力势。接下来便是构建场运动方程。我们可以用惠曼的名言总结道：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”按照爱因斯坦的想法，引力是由于质量空间分布不均匀造成的几何效应。所以爱因斯坦场方程左边应该是反映时空的几何性质的张量，右边是能动张量。再继续利用能量守恒定律，便可以推出爱因斯坦场方程。应用爱因斯坦的场方程，得到了很多新奇的结论和实验预言，并且以“水星进动”和“引力红移”为代表的实验验证了广义相对论的正确性。广义相对论还预言了引力弯曲效应极大情况下黑洞的存在。而广义相对论作为宇宙学的理论基础，特别是近几十年观测技术的进步，使得宇宙学建立起了相对完整的理论系统。 2.基本假设广义相对论建立在以下假设下。 2.1等效原理广义相对论用的是强等效原理。引力场与惯性场的的一切物理效应都是局域不可分辨的。 2.2马赫原理惯性力起源于物质间的相互作用，起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动，而且与引力有着相同或相近的物理根源。

爱因斯坦及其广义相对论

爱因斯坦及其广义相对论摘要：爱因斯坦创立了相对论，对物理学发展和人类思想的发展产生了深远影响。其中广义相对论把相对论原理推广到非惯性参考系和弯曲空间，建立了新的引力理论，为科学地研究宇宙结构开辟了道路。本文在介绍爱因斯坦对现代宇宙论重要贡献的同时，详细介绍了广义相对论的理论和该理论为人类带来的深远影响。关键词：爱因斯坦广义相对论时空弯曲广义相对论是1916年由爱因斯坦独立提出的科学史上的一大杰出理论。它引用了高深数学的张量及黎曼几何，重新诠释了引力的概念，描述了一个完全不同的宇宙。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论简单的公式中，从相对论里人们发现了时间旅行、宇宙的起源和终结和黑洞等奇妙现象。爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家。他的基础理论深刻地影响着社会进步，甚至当代各类重要的消费产品在技术上也是依据爱因斯坦的理论。如光效应理论为太阳能电池、光电探测器奠定了基础,射线受激辐射是激光器的理论基础,相对论则为GPS全球卫星导航系统提供所需的修正。一、爱因斯坦完成了人类科学史上的一座丰碑爱因斯坦在瑞士苏黎世联邦理工学院读了四年师范的物理及数学。在大学里，他精读了基尔霍夫、玻尔兹曼、洛伦兹、麦克斯韦等世界著名物理学家的主要著作，这些书籍对他影响颇深。爱因斯坦对光线及以太非常好奇，在大学时，他设计了一个实验，用抽气机抽空一玻璃瓶。他认为，当瓶内的空气及以太都被抽光后，因为没有以太传播光，玻璃瓶就会变成不透明的。他用的瓶子很薄，以免光线从瓶子的玻璃中绕道而走，连续抽了几天，玻璃瓶还是透明的。直到有一天，薄瓶子突然因高真空而炸掉了，爱因斯坦几乎因此受伤，但这次经历并没有打消掉他对物理和数学的热情。毕业后不久，爱因斯坦从事瑞士伯尔尼专利局公务员工作，这期间，他和一些对物理、数学感兴趣的朋友，成立了一个科学讨论会。他们定期在会员家中开读书会，讨论物理、数学及哲学问题。他的很多论文都是在这段时期完成的。 1905年对爱因斯坦而言是奇迹的一年。在这一年里，爱因斯坦完成了博士论文，并发表了5篇震惊世界的论文,其中4篇论文最为重要。第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,解释了光的本质,这使他在1921年荣获了诺贝尔物理学奖。第二篇《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》提供了原子确实存在的证明。第三篇是30页的《论动体的电动力学》提出时空关系新理论,被称为“狭义相对论”，它改变了整个世界。第四篇是仅有3页的《物体的惯性与它的能量值有关吗？》。在这篇文章中，他得出了人类历史上最著名的公式：。爱因斯坦的文章里充满了美妙和新奇的构想，很快就获得了

广义相对论一个极其不可思议的世界

广义相对论一个极其不可思议的世界谷锐译原文：Slaven 广义相对论的基本概念解释：在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前，我们必须假定一件事情：狭义相对论是正确的。这也就是说，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）