相對論是關於物質運動和時空關系的理論。它是現代物理學的理論基礎之壹。相對論是本世紀初愛因斯坦等人在總結實驗事實(如邁克爾遜-莫雷實驗)的基礎上建立和發展起來的。在此之前，當人們按照經典的時空概念(主要以伽利略變換為代表)解釋光的傳播時，導致了壹系列尖銳的矛盾。建立了物理學中新的時空現象和高速物體的運動規律，對未來物理學的發展具有重要意義。相對論可以分為狹義相對論和廣義相對論兩部分。1938+0905年建立的狹義相對論的基本原理:
在任何慣性參考系中，自然規律都是壹樣的，這就是所謂的相對性原理。
在任何慣性系中，真空中的光速都是壹樣的，也就是光速不變的原理。
得出時間和空間的量從壹個慣性系變換到另壹個慣性系時，應滿足洛倫茲變換，而不是伽利略變換，並由此導出許多重要結論，如:
①兩個事件的先後順序或是否“同時”在不同的參照系中是不同的(但因果律仍然成立)。
②測量物體長度時，運動物體在其運動方向上的長度會比靜止時短。同樣，在測量時間歷程時，我們會看到運動的時鐘比靜止的時鐘慢。
(3)物體的質量隨著速度的增加而增加，關系式為靜止質量，稱為靜止質量。
任何物體的速度都不能超過光速。
⑤壹個物體的質量和能量滿足質能關系。
上述結論與目前的實驗事實相符，但只有在高速運動時效果才顯著。壹般情況下，相對論效應是極小的，所以經典力學可以認為是低速相對論力學的近似。1916年，廣義相對論成立，其基本原理如下:
廣義相對論原理，即自然規律在任何參考系中都可以用相同的數學形式表示。
(2)等效原理，即小體積範圍內的引力與加速系統中的慣性力相互等效。
根據上述原理，引力是由於物質的存在和壹定的分布，使得時空質量不均勻而產生的(所謂時空彎曲)；引力場理論成立。狹義相對論是廣義相對論在引力場很弱的情況下的特例。從廣義相對論可以得出壹些重要的結論，比如水星近日點的歲差定律；光在引力場中彎曲；在強引力場中，時鐘變慢(或者引力場中的譜線向紅端移動)等。這些結論與後來的觀察結果基本壹致。近年來，通過測量雷達波在太陽引力場中來回傳播的時間延遲，廣義相對論的結論得到了更高精度的證實。相對論具有重要的歷史意義，但仍有許多問題需要研究。
空間彎曲
驗證廣義相對論的實驗
1，愛因斯坦指出了三個驗證實驗。
1905年，當愛因斯坦發表著名的歷史文獻《論運動物體的電動力學》並建立狹義相對論時，他的理論並沒有被人們所接受，很多人(包括壹些有聲望的科學家)都懷疑甚至反對，因為狹義相對論的全新時空觀與物理學的經典概念大相徑庭，不可思議，因為缺乏實驗驗證，也因為愛因斯坦當時才二十多歲。
愛因斯坦並沒有因此而卻步，他繼續考慮將相對論推廣到非慣性系。從1907到1916，愛因斯坦連續發表多篇文章，不斷完善廣義相對論理論，引入黎曼彎曲空間。在1916出版的《廣義相對論基礎》中，愛因斯坦指出:牛頓的引力理論可以看作是相對論引力理論的壹級近似。愛因斯坦還指出，可以通過測量行星軌道近日點的進動、光在引力場中的彎曲和星系譜線的引力紅移來驗證廣義相對論。
2.行星軌道中近日點的進動
根據牛頓運動定律和萬有引力平方反比定律，太陽系中行星的運行軌道應該是壹個嚴格的橢圓和閉合曲線，太陽位於橢圓的壹個焦點上。但是從1859開始，天文學家發現行星的軌道並不是壹個嚴格封閉的橢圓。行星每繞太陽旋轉壹周，其橢圓軌道的長軸就輕微旋轉壹周，這通常被稱為行星的近(或遠)日。如圖1所示，尤其是距離太陽最近的水星，其歲差觀測值為每100年壹次。壹般認為，水星不僅主要被太陽吸引，還會被太陽系的其他行星吸引。而且，人們是從地球也在自轉、公轉的非理想慣性系中觀測的，所以有緩慢的歲差。用牛頓引力理論計算，考慮上述影響，歲差值仍小於實際觀測值。數值雖小，但超出了觀測精度的允許誤差範圍。而且太陽系其他行星也有類似的近地點冗余進動，數值很小。
為了解釋這種差異，成功預言海王星存在的天文學家列維預言，在太陽附近有壹顆未被發現的小行星，即水星軌道上的壹顆“水下行星”。這顆水下行星對水星的引力作用導致了多余歲差值的出現。然而，預測的天空區域被仔細搜索了許多年。這個想象中的水下星球從未被發現過。水下星球成為牛頓引力理論多年未解的難題。根據廣義相對論，壹個天體的質量越大，其周圍的時空就越彎曲。星球在彎曲的時空裏沿著短程線運動。水星是離太陽最近的行星，這裏的引力場比太陽系其他行星強很多，時空也彎曲得很厲害。此外，水星的軌道偏心率較大。所以水星近日點的超額歲差比其他行星大。愛因斯坦在1915年根據廣義相對論計算出的水星近日點超額進動與實際觀測相當吻合。因此，水星軌道近日點的進動被視為廣義相對論建立初期的第壹次重大實驗驗證。後來測得的地球、金星等行星的近日點歲差也與廣義相對論的計算相當吻合。
3.光在引力場中的偏轉
根據廣義相對論，光在引力場中會發生彎曲和偏轉。但由於這種偏轉非常小，在地球上不容易觀測到。愛因斯坦在1911中指出，如果利用日全食的特殊時機，我們可以在測量日全食時，測出那些看似位於太陽附近的行星的位置，然後與這些行星平時的位置進行比較。應該觀察這種偏移。1916，而他計算出光線經過太陽附近的偏轉角是。1919南半球發生日全食時，英國派出了由天文學家A.S .愛丁頓率領的兩支遠征觀測隊，分別在西非和巴西進行同步測量。獲得了測量的偏差。
未來日全食過程中的類似觀測也支持廣義相對論的結論。畢竟日全食的機會比較少，科學家希望這樣的實驗可以在其他時間進行。20世紀60年代以後發展起來的射電天文學，使人們能夠在平時用射電望遠鏡測量被太陽覆蓋的射電源，分辨率大大提高。19438+0975年觀測到的經過太陽表面附近的無線電波的偏轉角與廣義相對論預測的相同。
4.譜線的引力紅移
根據廣義相對論，光在引力場中傳播時，其頻率會發生變化。當光從引力場強的地方(如太陽附近)傳播到引力場弱的地方(如地球附近)時，其頻率會略有降低，波長會略有增加，即發生引力紅移。當光向相反方向傳播時，其頻率會增加，波長會縮短，即發生引力藍移。愛因斯坦在1965438+。
各種恒星大小的比較
白矮星質量大，半徑小，發出的光引力紅移效應明顯。1925年，天文學家W.S .亞當斯觀測到壹顆白矮星天狼星A，測得的引力紅移與廣義相對論理論基本壹致。20世紀60、70年代測得的太陽譜線引力紅移值與理論值的不確定度小於5% ~ 7%。
近地面高度差幾十米的兩點之間傳播的光，應該也會產生引力紅移，但引力紅移的變化更小，只有壹個數量級。1958中用壹般實驗手段難以觀測到的穆斯堡爾效應的發現，為在地面上精確完成引力紅移實驗提供了可能。龐德(R.V.Pound)和雷布卡(C. Rebka)將鈷57發出的射線從22.6m高的塔頂射向地面的接收器，利用穆斯堡爾效應測量塔底的頻率。
5.第四大驗證實驗——雷達回波延遲
除了上面討論的三個驗證實驗，I.Shapiro在1964中提出用雷達回波延遲實驗來檢驗廣義相對論。根據廣義相對論，物質的存在和運動引起周圍時空的彎曲，光在大質量物體附近的彎曲可以看作是壹種折射，相當於光速減慢。當雷達波到達行星表面並反射回地球時，就可以測出壹次往返所需的時間。通過比較雷達波在太陽附近傳播的往返時間和遠離太陽的往返時間，可以得到雷達回波的延遲時間。
夏皮羅團隊先後在水星、金星和火星上進行雷達回波延遲實驗，後期實驗數據與廣義相對論理論值的不確定度約為65438±0%。80年代初，利用登陸火星表面的海盜號探測器，雷達回波延遲實驗值的不確定度降低到0.65，438+0%，有力地支持了廣義相對論。
6.間接證明引進技術存在力波-脈沖雙星觀測
根據廣義相對論，物質以不對稱的方式加速產生引力波。愛因斯坦證明了引力波的傳播速度與電磁波相同。牛頓的引力理論中沒有引力波。如果能觀測到引力波，那將是廣義相對論的壹大勝利。但由於引力效應比電磁效應弱很多個數量級，以現有的材料和實驗手段還無法在地球上人工產生可探測的引力波。人們不得不把希望寄托在探測質量巨大的天體物理過程產生的引力波上。
1967年，天文學家S.J .貝爾和A.Hewish用射電望遠鏡發現了脈沖星。後來證明脈沖星是中子星。射電望遠鏡接收到的脈沖信號是中子星旋轉時磁極發出的電磁波。在1974，R.A.Hulse和J . h . Taylor Sr 1913+16)。根據廣義相對論，脈沖雙星在自轉時會輻射引力波。脈沖雙星(PSR 1913+16)輻射引力波的功率不小，有W，但是雙星離地球太遠，引力波能流密度到達地面。目前還沒有方法可以探測到如此微弱的引力波。但根據廣義相對論，引力輻射阻尼是由於脈沖雙星輻射引力波時不可避免的能量損失，即雙星系統的能量會降低，周期會變慢。經過近20年的觀測，發現脈沖雙星的運動周期在穩步減小，周期變緩的變化率與廣義相對論的理論值相當壹致。因此，對脈沖雙星的觀測被認為是引力波存在的間接證明。霍爾和泰勒因發現脈沖雙星而獲得了6500英鎊的獎金。
引力波的直接探測是實驗物理學的主要課題之壹，這將進壹步檢驗廣義相對論。西方發達國家投入了大量的人力物力進行研究，至今還沒有得到滿意的數據。
宇宙的加速膨脹
宇宙的浩瀚和神奇令人驚嘆和著迷。朵朵星系的基本成分是像恒星壹樣發光的“重子型物質”，但宇宙中也有相當多的“重子型物質”，如星雲、行星、矮星、黑洞等。所謂重子型物質，是指人們在地球上或實驗室中經常遇到的普通物質或其不同的蛻變。
超新星的坍縮
令人驚訝的是，所有重子物質只占宇宙的4%左右，其中26%被稱為暗物質，70%左右被稱為暗能量。這些“暗物質”和“暗能量”是全新的形式，人們對它們不是很了解。宇宙不僅成分特殊，而且也不像乍看上去那樣是靜止的。宇宙實際上是動態膨脹的。
通過高精度望遠鏡，我們可以觀察到遙遠恒星發出的星光譜線向紅端移動。光譜紅移說明恒星在退行，距離恒星越遠，光譜紅移越大。如果宇宙以同樣的速度膨脹，距離與紅移成正比，這就是著名的哈勃定律。1998，科研進步很大。科學家發現，宇宙並不是人們壹直想象的那樣。因為只有物質存在，所以它應該減速膨脹。相反，宇宙正在加速膨脹。這預示著宇宙的主要成分不是物質，而是壹種全新的形態:“暗能量”。2000年，宇宙加速膨脹有了壹個重要的證據，就是對宇宙微波背景各向異性的精確測量。
20世紀60年代初，科學家發現宇宙中存在3K度微波背景輻射。其實是高溫熱爆炸充分膨脹後宇宙的殘余溫度，而且相當均勻，各向同性。然而，3K度微波背景輻射具有萬分之壹的非均勻起伏，其中包含了極其豐富的早期宇宙的寶貴信息。正是從對這些信息的分析中，人們了解到宇宙是平的。而且，它有上述成分的比例。不同方法的天文觀測，如星系團的X射線分布，引力透鏡，宇宙年齡的推斷，大尺度結構演化，給出了更多的證據。宇宙中含有不到40%的“物質”，包括“重子型”和“黑暗型”。各種成果的交叉驗證，基本上印證了我們對宇宙的整體看法，這是非常了不起的成就。
然而，挑戰也很嚴峻。“暗物質”的本質是未知的。它和我們普通的“重子型物質”之間沒有電磁和強相互作用，所以很難探測到。我們只靠它的大尺度引力效應來推斷它的存在。相當多的科學家希望“暗物質”是粒子標準模型假設的超對稱擴展版本中所謂的“中性粒子”。然而它的存在還遠未被實驗證實。至於暗能量，就更神秘了。粒子物理學知道，真空能量作為暗能量的可能形式之壹，被稱為宇宙常數，但它總是比宇宙學中所需的暗能量高幾十個數量級。這表明我們的基礎物理學存在重大缺陷，正面臨危機。
此外，壹種類似“宇宙常數”的“真空能量”的存在，將主導宇宙的未來，我們今天所能看到的所有星系，都將加速飛出我們的視線，再也不會回來。因此，我們必須結合粒子物理和宇宙學的最新成果，研究宇宙給基礎理論帶來的嚴峻挑戰，展現更讓人放心的宇宙未來前景。
奇異
回顧從亞裏士多德到牛頓再到愛因斯坦的科學發展過程，我們可以認識到，任何物理理論都有自己的成功和失敗，或者說有自己的有效和無效範圍。解決老問題和提出新問題往往是同壹個理論的兩面。牛頓解決了很多亞裏士多德沒有解決的問題，但也留下了自己的困難。愛因斯坦解決了牛頓理論中的許多困難，但也帶來了新的問題。
愛因斯坦廣義相對論最大的問題之壹就是奇點。黑洞的解和宇宙學中都有奇點。引力坍縮的最終結果是奇點。大爆炸的起點也是奇點。
奇點具有壹系列奇怪的性質，如無限的物質密度、無限的壓力、無限彎曲的時空等。此外，在奇點，所有形式的因果關系都消失了，這使得我們無法談論過去或預測未來。有壹段時間，物理學家認為奇點可能只是數學形式帶來的東西，但實際上是可以避免的。沒有完全對稱的幾何結構，也許就沒有奇點。但從20世紀70年代開始，霍金和潘羅西證明了奇異性是廣義相對論中普遍的、不可避免的東西。當廣義相對論應用於宇宙時，奇點必然會出現，就像牛頓力學在宇宙學中不可避免地遇到某種無窮大壹樣。
牛頓體系中壹些不合理的無窮大說明牛頓理論在壹定條件下不再適用，廣義相對論中奇點的必然性也可能是廣義相對論局限性的壹種表現。愛因斯坦自己就是這樣看待這些奇點的重要性的。他說:“人們不能假設這些方程對於高場密度和物質密度仍然成立，也不能得出膨脹的開始壹定意味著數學奇點的結論。簡而言之，我們必須明白，這些方程不能推廣到這樣的地區。”因此，我們必須尋求可以擴展到這類領域的理論。
在愛因斯坦之後，人們主要從兩個方面發展了愛因斯坦的理論，壹是將廣義相對論與量子理論相結合，二是將廣義相對論與其他基本相互作用統壹起來。