2021年度规张量逆变微商为零广义相对论课件

度规张量逆变微商为零广义相对论课件

广义相对论GeneralRelativity描写物质间引力相互作用的理论。其基础有A.爱因斯坦于19完成，19正式发表。这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲。下面是xx为你带来的广义相对论课件。

概念介绍

黑洞

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着很主要的应用：它直接推导出一些大质量恒星会终止为一个黑洞——时空中的一些区域发生极度的扭曲以至于连光全部无法逸出；而多大质量的恒星会塌陷为黑洞则是印裔物理学家钱德拉塞卡的功劳——钱德拉塞卡极限白矮星的质量上限。

引力透像

有证据表明恒星质量黑洞和超大质量黑洞是一些天体比如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得大家能够观察四处于遥远位置的同一个天体的多个成像。

引力波

广义相对论还预言了引力波的存在爱因斯坦于19写的论文论引力波，现已被直接观察所证实。另外,广义相对论还是当代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。2

时空关系

19世纪末因为牛顿力学和苏格兰数学家麦克斯韦1831~1879年电磁理论趋于完善，部分物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当大家利用伽利略变换解释光的传输等问题时，发觉一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可和光速相比拟的高速运动物体的规律，创建相对论。狭义相对论提出两条基础原理。1光速不变原理：即在任何惯性系中，真空中光速c全部相同，为299,792,458m/s，和光源及观察者的运动情况无关。2狭义相对性原理：是指物理学的基础定律乃至自然规律，对全部惯性参考系来说全部相同。

爱因斯坦的第二种相对性理论19。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应也就是，不但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发的，因此引力场影响时间和距离的测量。3

万有引力

广义相对论：是一个有关万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，她最终认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是，她将狭义相对性原理推广到广义相对性，又利用在局部惯性系中万有引力和惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。

狭义相对论

狭义相对论和广义相对论：狭义相对论只适合用于惯性系，它的时空背景是平直的四维时空，而广义相对论则适合用于包含非惯性系在内的一切参考系，它的时空背景是弯曲的黎曼时空。

物理应用

引力透镜

爱因斯坦十字：同一个天体在引力透镜效应下的四个成像

引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观察者和遥远的观察天体之间

还存在有一个大质量天体，当观察天体的质量和相对距离适宜时观察者会看到多个扭曲的天体成像，这种效应被称作引力透镜。受系统结构、尺寸和质量分布的影响，成像能够是多个，甚至能够形成被称作*因斯坦环的圆环，或圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发觉的，至今已经发觉了超出一百个引力透镜。即使这些成像相互很靠近以至于无法分辨——这种情形被称作微引力透镜——这种效应依然可经过观察总光强改变测量到，很多微引力透镜也已经被发觉。

引力波

艺术家的构想图：激光空间干涉引力波探测器LISA对脉冲双星的观察是间接证实引力波存在的有力证据参见上文轨道衰减一节。已经有相当数量的地面引力波探测器投入运行，最著名的是GEO600、LIGO包含三架激光干涉引力波探测器、TAMA300和VIRGO；而美国和欧洲合作的空间激光干涉探测器LISA正处于开发阶段，其先行测试计划LISA探路者LISAPathfinder于2021年底之前正式发射升空。

美国科研人员2021年2月11日宣告，她们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波。研究人员宣告，当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于2021年9月14日抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。证实了爱因斯坦100年前所做的预计。

对引力波的探测将在很大程度上扩展基于电磁波观察的传统观察天文学的视野，大家能够经过探测到的引力波信号了解到其波源的信息。这些从未被真正了解过的信息可能来自于黑洞、中子星或白矮星等致密星体，可能来自于一些超新星爆发，甚至可能来自宇宙诞生极早期的暴涨时代的一些烙印，比如假想的宇宙弦。

黑洞和其它

基于广义相对论理论的计算机模拟一颗恒星坍缩为黑洞并释放出引力波的过程广义相对论预言了黑洞的存在，即当一个星体足够致密时，其引力使得时空中的一块区域极端扭曲以至于光全部无法逸出。在目前被广为接收的恒星演化模型中，通常认为大质量恒星演化的最终阶段的情形包含倍左右太阳质量的恒星演化为中子星，而数倍至几十倍太阳质量的恒星演化为恒星质量黑洞。含有几百万倍至几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞被认为定律性地存在于每个星系的中心，通常认为它们的存在对于星系及更大的宇宙尺度结构的形成含有主要作用。

在天文学上致密星体的最主要属性之一是它们能够极有效率地将引力能量转换为电磁辐射。恒星质量黑洞或超大质量黑洞对星际气体和尘埃的吸积过程被认为是一些很明亮的天体的形成机制，著名且多样的例子包含星系尺度的活动星系核和恒星尺度的微类星体。在一些特定场所下吸积过程会在这些天体中激发强度极强的相对论性喷流，这是一个喷射速度可靠近光速的且方向性极强的高能等离子束。在对这些现象进行建立模型的过程中广义相对论全部起到了关键作用，而试验观察也为支持黑洞的存在和广义相对论做出的种种预言提供了有力证据。

黑洞也是引力波探测的主要目标之一：黑洞双星的合并过程可能会辐射出能够被地球上的探测器接收到的一些最强的引力波信号，而且在双星合并前的啁啾信号能够被看成一个“标准烛光”从而来推测合并时的距离，并深入成为在大尺度上探测宇宙膨胀的一个手段。而恒星质量黑洞等小质量致密星体落入超大质量黑洞的这一过程所辐射的引力波能够直接并完整地还原超大质量黑洞周围的时空几何信息。

宇宙学

威尔金森微波各向异性探测器WMAP拍摄的全天微波背景辐射的温度涨落当代的宇宙模型是基于带有宇宙常数的爱因斯坦场方程建立的，宇宙常数的值对大尺度的宇宙动力学有着主要影响。

这个经修改的爱因斯坦场方程含有一个各向同性并均匀的解：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规，在这个解的基础上物理学家建立了从一百四十亿年前炽热的大爆炸中演化而来的宇宙模型。只要能够将这个模型中为数不多的多个参数比如宇宙的物质平均密度经过天文观察加以确定，大家就能从深入得到的试验数据检验这个模型的正确性。这个模型的很多预言全部是成功的，这包含太初核合成时期形成的化学元素初始丰度、宇宙的大尺度结构和早期的宇宙温度在今天留下的“回音”：宇宙微波背景辐射。

从天文学观察得到的宇宙膨胀速率能够深入估算出宇宙中存在的物质总量，不过相关宇宙中物质的本性还是一个有待处理的问题。估量宇宙中大约有90%以上的物质全部属于暗物质，它们含有质量即参加引力相互作用，但不参加电磁相互作用，即它们无法经过电磁波直接观察到。在已知的粒子物理或其它什么理论的框架中还没有措施对这种物质做出令人满意的

描述。另外，对遥远的超新星红移的观察和对宇宙微波背景辐射的测量显示，我们的宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响，而正是宇宙常数的值决定了宇宙的加速膨胀。换句话说，宇宙的加速膨胀是由含有非通常意义下的状态方程的某种能量形式决定的，这种能量被称作暗能量，其本性也依然不为所知。

在所谓暴涨模型中，宇宙曾在诞生的极早期～10-33秒经历了猛烈的加速膨胀过程。这个在于二十世纪八十年代提出的假说是因为一些令人迷惑而且用经典宇宙学无法解释的观察结果而提出的，比如宇宙微波背景辐射的高度各向同性，而对微波背景辐射各向异性的观察结果是支持暴涨模型的证据之一。然而，暴涨的可能的方法也是多样的，现今的观察还无法对此作出约束。一个更大的课题是有关极早期宇宙的物理学的，这包括到发生在暴涨之前的、由经典宇宙学模型预言的大爆炸奇点。对此比较有权威性的意见是这个问题需要由一个完备的量子引力理论来解答，而这个理论至今还没有建立参与下文量子引力。

量子理论

假如说广义相对论是当代物理学的两大支柱之一，那么量子理论作为我们借此了解基础粒子和凝聚态物理的基础理论就是当代物理的另一支柱。然而，怎样将量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中依然是一个未能处理的问题。11

量子场论

作为当代物理中粒子物理学的基础，通常意义上的量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的，这对于处于像地球这么的弱引力场中的微观粒子的描述而言是一个很好的近似。而在一些情形中，引力场的强度足以影响到其中的量子化的物质但不足以要求引力场本身也被量子化，为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空，并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论。经过这种理论，能够证实黑洞也在经过黑体辐射释放出粒子，这即是霍金辐射，并有可能经过这种机制造成黑洞最终蒸发。如前文所述，霍金辐射在黑洞热力学的研究中起到了关键作用。12

量子引力

物质的量子化描述和时空的几何化描述之间相互不含有相容性，和广义相对论中时空曲率无限大意味着其结组成为微观尺度的奇点的出现，这些全部要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部和极早期宇宙的情形做出充足的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。

一个卡拉比-丘流形的投影，由弦理论所提出的紧化额外维度的一个方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其他三种基础相互作用，但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却碰到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功，其结果是一个可被接收的引力的有效量子场理论，但在高能区域得到的模型是发散的不可重整化。

圈量子引力中的一个简单自旋网络

试图克服这些限制的尝试性理论之一是弦论，在这种量子理论中研究的最基础单位不再是点状粒子，而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述全部粒子和包含引力在内的基础相互作用的大统一理论，其代价是造成了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特征。在所谓第二次超弦理论革新中，大家猜测超弦理论，和广义相对论和超对称的统一即所谓