相对论的建立和发展解析课件

1、第六章相对论的建立与发展 6.1 历史背景6.2 爱因斯坦创建狭义相对论的经过6.3 狭义相对论的遭遇和实验检验6.4 广义相对论的建立6.5 广义相对论的实验检验相对论会让大家想到什么？天上一日地下一年？宇宙航行时空穿梭热锅上的蚂蚁？ 相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。” 德布罗意6.1历史背景 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学

2、中的伽利略变换抵触。1.牛顿力学时空观 绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。牛顿 绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。牛顿2、迈克尔逊莫雷实验由于人们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。迈克尔逊 “以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的哲学原理一书

3、中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是“以太”。 17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。 麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。 3、真空中的光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。 4、物理学家面临的选择要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。 法国著名科学家庞加莱（Henri Poincar）对洛仑兹理论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。 他提出了相对性原理的概念

4、，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。庞加莱提出相对性原理亨利.庞加莱1904年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞加莱还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。 6.2爱因斯坦创建狭义相对论的经过 爱因斯坦是德国人，有犹太血统， 1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学，1901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作

5、。就在专利局工作期间，1905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域提出了新的见解。其中论动体的电动力学一文更具有划时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论，一举解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，简称相对论，后来又叫狭义相对论。 一、走在爱因斯坦前面的人人名贡献影响麦克斯韦创建电磁理论赫兹修改麦克斯韦方程佛格特1887年提出佛格特变换，与洛伦兹变换相似洛伦兹知道佛格特的工作，但没有足够注意。拉摩拉摩进动和拉摩变换费兹杰惹独立地提出洛伦兹变换洛伦兹提出电子

6、论和洛伦兹变换爱因斯坦读过洛伦兹1895年的著作庞加莱提出相对性原理 1879年3月14日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。 父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，12岁曾证明勾股定理。 1896年，爱因斯坦成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。二、爱因斯坦简介青年时期爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。康德的纯粹理性批判，马赫的力学史评都给了他深刻

7、的影响。1902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成“奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒等人的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。1900年 苏黎世联邦工业大学师范系毕业。1902年 在瑞士联邦专利局工作 1909年 离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年 任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应能斯脱的邀请，回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。1914年 应洛伦兹和埃伦菲斯特的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国

8、不到四个月，第一次世界大战爆发，他投入公开的和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最后建成了广义相对论。 1921年 获得诺贝尔物理奖。1933年 受德国纳粹迫害移居美国，为普林斯顿研究所研究员。1940年加入美国国籍。1955年4月18日去世。 1900年，爱因斯坦大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。 1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作当技术员。 在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是

9、经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系中以太的存在。 三、狭义相对论的建立 他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？ 当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的发展中的力学中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝

10、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。1905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。 早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依

11、据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。 爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说：“最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球相对以太的运动”。甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿不同方向的两束光线所放出的热量。 不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一步。”爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的

12、参照系，而且适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个概念会相互矛盾呢？爱因斯坦苦思不得其解。起初他想修改洛仑兹的观念，以解决这个矛盾，结果白白花了一年时间，没有取得进展。经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。他在那次讲演中这样形容当时的情景：“为什么这两个观念相互矛盾呢？我感到这一难题相当不好解决。我花了整整一年的时间，试图修改洛仑兹的思想，来解决这

13、个问题，但是却徒劳无功。 “是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。”爱因斯坦和洛伦兹在一起不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献论动体的电动力学，1905年9月发表在著名的德文杂志物理学年鉴上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。他称之为两条公

14、设，内容如下：“1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的那一个并无关系，（相对性原理）。”“2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速不变原理）。”爱因斯坦不是像洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。 爱因斯坦在论动体的电动力学一文的最后，推导出了电

15、子质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速c时动能变为无穷大的结果预言电子速度不可能大于光速。 1905年晚些时候，爱因斯坦又发表了一篇论文，题为物体的惯性同它所含的能量有关吗？，第一次提出了相对论的质能转化关系。“物体质量是它所包含的能量的量度。”“如果能量改变L，则质量也要同时改变L/（91020）（即L/c2 ，这里用的是CGS单位）。”论动体的电动力学发表在物理学年鉴上2、光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。1、相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系对运动的描述都是等效的。狭义相对论的基本内容从这

16、两个假设，得出洛伦兹变换：狭义相对论引出的观念的变化1、同时性的相对性在S系中不同地点同时发生的两个事件，在S系中不再是同时的了。A B 两个接收器同时收到光信号； A 先收到，B 后收到。光源光速不变 列车上（S系） 地面上（S系）狭义相对论引出的观念的变化2、长度收缩效应物理世界奇遇记 伽莫夫狭义相对论引出的观念的变化2、长度收缩效应假如速度无限接近于光速？思考 世界将会怎样？！狭义相对论引出的观念的变化3、时间延缓效应快速运动参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走慢了。-这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。 在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P朗之万用双生子实验对狭义相对论

17、的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。慢【例】孪生子佯谬和孪生子效应 假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁会更年轻呢？.慢 问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬(twin paradox)。 如果飞船返回地球

18、则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为孪生子效应。 1971年，美国空军用两组Cs(铯)原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了 20310 ns，而按广义相对论预言运动钟变慢 184 23 ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。 质能方程质量能量转换方程经典物理中，质量和能量是两个完全不同的概念；在狭义相对论中，质量和能量通过光速联系在一起爱因斯坦指出：该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量为什么日常生活中觉察不到？高铁：300350km/h 100

19、m/s战斗机：1000 m/s洲际导弹：7000 m/s宇宙飞船：11.2 km/s离开银河系：1.20 x105m/s光速：3x108m/s远远大于日常所见的速度！相对论效应在日常生活的速度中是可以忽略不计的！四、爱因斯坦的研究特色:1.对经典理论的大胆怀疑经过十年的思索,首先看破以太,并最终抛弃了以太,也就是抛弃了绝对运动。“马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。” 爱因斯坦相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。2.博闻苦思，好学进取16岁时,爱因斯坦就思考:“如果我以速度c追随一条光线运动”，我应当看到什么现象呢？爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，想:“若零结果是事实，那地球相对以

20、太运动的想法就是错误的!”爱因斯坦读了洛仑兹1895年的论文，认为其方程若成立，必然导致光速不变的概念。电磁感应的现象迫使我假设(狭义)相对性的原理，必须克服的困难在于真空中光速的不变性。 爱因斯坦 爱因斯坦认为:“若光速不变成立，则将出现同时性的相对性。”就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。3.追求科学理论的和谐与自然认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。“它象在爬山一样，越是往上爬，越是得到宽广的视野

21、，并且越能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外联系。”爱因斯坦的回忆狭义相对论被承认的曲折经历1.普遍读不懂，不理解在法国，1910年几乎没有人提到爱因斯坦。JJ汤姆逊1909年：“以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉1911年：“我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。” 迈克尔逊至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是个怪物。6.3 狭义相对论的遭遇和实验检验 2.普朗克支持：“如果相对论是正确的，爱因斯坦就是20世纪的哥白尼。”并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现! 3.实验验证 1906年，考夫曼得出了否定相

22、对论的结果，相对论受到考验！但1907年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。 1911年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意到爱因斯坦的相对论方面的工作。支持相对论的物理学家：普朗克，劳厄，闵可夫斯基，泡利，布雪勒等。劳厄，在1911年就致力于宣传相对论。闵可夫斯基 立陶宛出生的德国数学家是除爱因斯坦以外，最早注意到时空观变革的学者，他是爱因斯坦大学时的老师，因后者不重视正规课程的学习而不太喜欢这个学生，但他却十分赞赏学生提出的相对论。他以自己精通的几何学知识对相对论进行了四维格式化，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看作是坐标系在四维空间中的转动，

23、给相对论以更加简洁的表述。泡利，在1921年受他老师的推荐为数学科学百科全书撰写了一篇关于相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至今还是相对论方面的名著之一。布雪勒，在1908年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与相对论的理论基本相符。闵可夫斯基狭义相对论有一重要结果，就是预言电子质量会随运动速度增长。从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷会产生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。经典电磁理论家阿伯拉罕（M .Abraham）假设电子是一个有确定半径的钢性带电小球，它在运动中产生的磁场引起电磁质量，由此推出了电子的质量公式。1901年，实验物理学家考夫曼用射线

24、的高速电子流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。洛仑兹到1904年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。后来证明洛仑兹公式与狭义相对论的结果一致。1906年，考夫曼宣布，他的量度结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而“与洛仑兹-爱因斯坦的基本假定不相容”。这件事一度竟成了否定相对论的重要依据。在这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，“不幸我的电子变形假说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。”然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在1907年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。果然，一年后布雪勒（A .H .Bucherer）用改进了的

25、方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。可是，观念的改变不是一朝一夕之事。直到1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。 激烈的争论没有停息过。到20世纪三十年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这就是说人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系中的时钟变慢了，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。1938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒实验，结论更接近相对论的理论。1940年

26、，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正确性。趣闻：爱因斯坦的诺奖路从1910年开始，爱因斯坦开始被提名诺贝尔奖。除了1911年和1915年，爱因斯坦每年都被提名诺贝尔奖，直到1922年得奖。事实上，直到1915年后，学术界才普遍承认，狭义相对论得到了实验验证。但是这时人们的注意力又集中到了爱因斯坦1915年创立的广义相对论。在是否给爱因斯坦授予诺奖的问题上，诺贝尔奖委员会遇到了很大压力。“想象一下，如果爱因斯坦不在诺贝尔奖得主名单中，五十年后，人们会怎么看。”布里渊趣闻：爱因斯坦的诺奖路爱因斯坦没有因为相对论工作而获得诺贝尔奖原因简析：1、当时诺贝尔委员会对新理论保持非常保守的态度；2、19

27、11-1922年间，五位评委中有三位从事实验技术工作；认为相对论缺少实验支持；3、一旦获奖，在未来获得第二次诺贝尔物理学奖的可能性微乎其微。 “瑞典皇家科学院决定授予您去年的诺贝尔物理学奖，这是考虑到您对理论物理，特别是光电效应定律的工作，但是没有考虑您的相对论与引力理论在未来得到证实之后的价值。”瑞典科学院1922年12月10日致爱因斯坦的信1921年，在是否给爱因斯坦颁奖的问题上，致使当年公布获奖。1922年，提名爱因斯坦的人数达到空前的数目，普朗克建议分别授予爱因斯坦和玻尔1921年和1922年的奖。奥辛再次建议以光电效应授奖。 爱因斯坦的狭义相对论谱写了物理学发展史上的令人振奋的新篇章

28、，和量子论一起成为物理学革命的标志性成果。 他在相对性：相对论的本质中指出：“狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解，并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了绝对同时性概念，从而也取消了牛顿所理解的那个即时超距作用概念。它指出，在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时，运动定律必须加以怎样的修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清；特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律，并且指出了质量同能量的等效性。从形式的观点来看，狭义相对论的成就可以表征如下：它一般指出了普适常数光速）在自然规律中所起的作用，并且表明以时间

29、作为一方，空间坐标作为另一方，两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系。”狭义相对论的意义 狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。他认为狭义相对论还有许多问题没有解决。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？爱因斯坦感到极大的疑惑。他坚信自然界的和谐和统一，认为要么对惯性坐标系为什么会特别优越作出解释，要么放弃惯性坐标系的特殊优越地位。6.4 广义相对论的建立1907年，他脑海中突然冒出一个灵感：“一个在半空中坠落的人，完全感觉不到自己的重量

30、，应该觉得自己好象置身于惯性系中。”根据这个平淡无奇的想法，同年他就写出了第一篇关于广义相对论的论文，提出广义相对论的两个假设：一、等效原理： 加速度造成的“重量感”与真正的重力效应一模一样。二、广义相对性原理： 物理定律在任何参考系中都具有相同形式。一、引力质量与惯性质量的等价性 几百年以来，物理学家把惯性质量与引力质量相等当作一个基本事实， 但是，爱因斯坦确认为“我为它的存在感到极为惊奇，并猜想其中必有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙”。他在题为相对论发展简述的文章中写道： “在引力场里，一切物体都以同一加速度下落，或者说这不过是同一事实的另一种讲法物体的引力质量同惯性质量在数值上是

31、彼此相等的。这种数值上的相等，暗示着性质上的相同。引力同惯性能够是同一的吗？这问题直接导致了广义相对论。”经过缜密的思索，爱因斯坦用场的观念对基于超距作用观念的牛顿引力理论进行了改造，写出如下等式：爱因斯坦认为：“只有当惯性质量和引力质量数值上相等时，加速度才与物体的性质无关。”即惯性质量和引力质量的相等性，是同加速度和引力场强度的等价性联系在一起的。在提出等效原理的过程中，爱因斯坦运用了理想实验的方法，设计了一系列升降机实验，反复思考处于升降机中的观察者通过实验观测会得到什么结论。（惯性质量）（加速度）=（引力场强度） （引力质量）升降机理想实验人处于封闭的升降机中1、“失重状态”2、“加速

32、状态”3、“匀速状态”“我们考察两个参照系和在它的轴方向加速运动是这个加速度的值（不因时间而变），是静止的；但是它处在一个均匀的引力场中，这个引力场赋予一切物体在轴方向上这样一个加速度”“就我们所知，无法把参照于的物理定律同参照于的物理定律区别开来；这是由于一切物体在引力场中都被同样地加速。”据此他把等效原理以假设的形式提出：“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。”1907年爱因斯坦在建立广义相对论方面迈出了重要一步，在关于相对论原理和由此得出的结论的第五部分“相对性原理和引力”中他叙述道：同时“这个假设把相对性原理扩展到参照系作均匀加速平移运动的情况”。初步提出了广义相对性原理，并

33、于年在广义相对论的基础一文中把它推广到所有的坐标系中：“普遍的自然规律是由那些对一切坐标系都有效的方程来表示的，也就是说，它们对于无论哪种代换都是协变的（广义协变）。”即一切坐标系都是平权的，这样就彻底回答了马赫关于坐标系的疑问。二、广义协变的引力场方程的建立 广义相对性原理和等效原理的提出，为广义相对论奠定了坚实的思想基础，但离建立完备的广义相对论的理论体系仍有很大的距离。首先遇到的难题就是如何描述引力场，必须找到一个合适的数学工具。 从1907年到1916年的九年时间，爱因斯坦先后发表了好几篇论文，使广义相对论逐步完备。 1913年，爱因斯坦与格罗斯曼（M.Grossmann）合作，建立了

34、引力的度规场理论，他们联名发表了广义相对论和引力论，系统地论述了广义相对论的物理原理和数学方法。他们引入了黎曼张量，把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间。 1915年，爱因斯坦连续发表了几篇有关广义相对论的论文。其中用广义相对论解释水星近日点运动第一次用广义相对论计算出了水星的剩余进动，并且声明：“在本文中我找到了这种最彻底和最完全的相对论的一个重要证明。” 同年发表了引力的场方程，提出了广义相对论引力场方程的完整形式。 1916年，爱因斯坦发表了广义相对论的基础，对广义相对论的研究作了全面的总结。在论文中，爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似，并且给出了谱线红移，光线弯曲，行星轨道近日点进动的理论预言。1916年,爱因斯坦完成了广义相对论，提出了三大天文效应，其中之一，引力场将使星光弯曲的现象。1919年，英国爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食,观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界!爱因斯坦成为公众瞩目的人。广义相对论的结构体系可以用一张图来表示：迄今为止，广义相对论的应用主要是在宇观领域，即宇宙学和天体物理学方面。从广义相对论出发建立起来的引力理论是目前最好的一种引力理论。在现有的几种与广义相对论竞争的理论中，广义相对论占有明显的优势，不过它是不是唯一可能的正确理论，尚未有定论。所以人们非常关心对广义相