广义相对论

General Relativity

Wikipedia · 2025年8月 Einstein's Legacy

理论基础与革命性突破

广义相对论是现代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人自1907年开始发展,最终在1915年基本完成。

在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。

时间膨胀

引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应是理论的重要预言。

TIME DILATION

引力波

引力波已经由激光干涉引力波天文台在2015年9月直接观测到。

GRAVITATIONAL WAVES

黑洞理论

预言了某些大质量恒星终结后形成的时空极度扭曲区域。

BLACK HOLES

宇宙膨胀

广义相对论是现代宇宙学中膨胀宇宙模型的理论基础。

COSMIC EXPANSION

历史发展轨迹

1905年 - 起点

爱因斯坦发表狭义相对论后,开始思考如何将引力纳入相对论框架。

1915年 - 突破

爱因斯坦在普鲁士科学院发表著名的引力场方程,标志着广义相对论基本完成。

1919年 - 验证

爱丁顿的日食观测证实了光线在引力场中的偏折,使理论名声大震。

1960-1975年 - 黄金时代

广义相对论进入理论物理和天体物理主流研究视野,黑洞概念得到理解。

数学基础

广义相对论用四维半黎曼流形描述时空几何,引力被描述为时空曲率。

几何化描述:时空告诉物体如何运动
物质影响:物体告诉时空如何弯曲

核心洞察

引力不是一种力,而是时空几何的表现。物体在引力场中的运动实际上是在弯曲时空中的惯性运动。

实验验证里程碑

Experimental Milestones

1919

日食观测

光线偏折验证

1993

诺贝尔奖

脉冲双星发现

2015

引力波

LIGO直接探测

2019

黑洞成像

事件视界望远镜

天体物理学应用

引力透镜

大质量天体使背景天体产生多个扭曲成像,形成爱因斯坦环。

观测暗物质分布的重要工具

黑洞物理

活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。

高能天体物理现象源头

现代宇宙学基础

大爆炸模型

基于弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规,描述宇宙从140亿年前炽热大爆炸中演化而来。

~5%
普通物质
~27%
暗物质
~68%
暗能量

实用应用

  • • GPS系统时间校正
  • • 精密原子钟同步
  • • 空间导航计算

未解之谜

  • • 量子引力统一理论
  • • 奇点物理性质
  • • 暗物质本质
  • • 暗能量起源

前沿研究

  • • 弦理论发展
  • • 圈量子引力
  • • 数值相对论
  • • 引力波天文学

理论预言与观测验证

水星近日点进动

爱因斯坦最早通过理论计算解释了天文学家于1859年发现的水星轨道异常。

引力透镜效应

1979年首次发现,至今已发现超过一百个引力透镜,成为观测暗物质的重要手段。

引力波探测

2015年LIGO首次直接探测到引力波,开启了引力波天文学新时代。