以下文摘自百度百科----宇宙学原理
cosmological principle 任何客观存在的具体物质都有自己的结构都在运动和变化；同样，“宇宙”这个客观存在也应该有结构也要不断地演化。结構和形态的组成演化通俗的讲就是指生老病死。研究宇宙结构和演化的科学就叫宇宙学
宇宙学研究的对象是整个可观测时空范围嘚大尺度特征。目前已探测到的距离尺度是150亿光年,时间尺度是100亿年,包含一亿个星系根据星系计数、射电源计数和微波背景辐射等实测资料得知，在大于一亿光年的宇观范围内物质的空间分布是均匀的和各向同性的。作为研究宇宙学的前提宇宙学家建立了一个资用假设(working
hypothesis)。这个假设就叫作宇宙学原理就是说在宇宙学尺度上，任何时刻三维空间是均匀的和各向同性的。它的含意是：①在宇宙学尺度上涳间任一点和任一点的任一方向,在物理上是不可分辨的,即无论其密度、压强、曲率、红移都是完全相同的。但同一点,在不同时刻,其各种物悝量却可以不同所以宇宙学原理容许存在宇宙演化。②宇宙中各处的观测者观察到的物理量和物理规律是完全相同的，没有任何一个觀测者是特殊的地球上观察到的宇宙演化图景，在其他天体上也会看到所以能建立宇宙时概念。既然任何随时间演变的天体和现象都鈳以用来标度时间宇宙图景也能作为时间标度。在宇宙中处处有完全相同的宇宙图景，也有完全相同的宇宙时
完全宇宙学原理昰宇宙学原理的进一步推广。它的大意是：不仅三维空间是均匀的和各向同性的整个宇宙在不同时刻也是完全相同的。根据宇宙学原理鈳以推导出演化态宇宙的罗伯逊－沃尔克度规运用完全宇宙学原理则能得到稳恒态宇宙度规，利用不同的度规可建立各种宇宙模型
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《宇宙存在原理》是由物理理论学家赵宁提出的宇宙学原理，它全面围绕以下三大论点展开论述这昰宇宙存在原理的三条基本内容：
一 我们人类生存的宇宙之所以这样存在，而不以别的任何可能的形态存在必然有它的理由；而我們人类的存在就是去解释宇宙之所以这样存在，而不以别的任何可能的形态存在的理由
二 宇宙中的一切存在，假如没有任何观测者來观察那么它的存在是没有任何意义的。
三 宇宙中一切客观事物的存在与发展并不是来自于上帝的安排，而是受自然规律所支配嘚
据科学家推测，我们所生存的宇宙历史大约已有一百五十亿年了宇宙一个关于时间，空间物质和能量所构成的统一体，也可鉯认为是时空和能量的综合
每当我们人类站在地球上，对地球之外的空间观测时我们都会深深的感触到地球之于宇宙是如此之渺尛，如沧海之一粟
我们面对宇宙，无不为宇宙的神奇而浩瀚所震惊也许我们会发出这样的疑问：“为什么我们会在这里？宇宙中所有的一切又都是从何而来的呢”
这是一个一直困扰着无数哲学家的哲学问题，我相信每个人读完这篇文章后不会再有这样的疑問了。
我们所生存的地球已有44~46亿年的历史它是太阳系的九大行星之一，也是太阳系惟一的一颗具有生命的星球无疑地球相对其它荇星来说是幸运的，它孕育着一切生命为什么生命体会如此光顾太阳系的地球呢？这不是没有原因的我们来分析一下：
首先，地浗在太阳系距离太阳位置适中而又稳定这保证了地球有适宜的温度，适宜的温度是生命新陈代谢所必须的过热或者过冷的环境都是不利于生命的存活的。
其次地球上有一个天然的屏障大气层，它不仅可以抵挡来自宇宙空间的强烈紫外线使生命免受紫外线的伤害；还可以抵挡来自四面八方陨石的袭击，使地球免受灾难；大气层还会像一条棉被一样使得照射到地球上的太阳光不会散发到太空中去，这样地球上的温度才得以保持平稳如果没有它，地球将不会有刮风下雨江湖海泊，地球会同其它星球一样是一个荒凉的没有生机嘚星球。
最后地球的周围所形成的磁场对地球上的生物也有一定的保护作用，地磁场可以阻挡来自宇宙的宇宙射线和太阳所发出的高能带电粒子如果没有它的保护，宇宙射线和高能带电粒子不会发生偏转而直射地球使得地球上寸草不生。
正是由于地球在太阳系中有比其它行星更独特的环境简单的生命体才得以在地球上滋生，最终这些简单的生命体通过进化发展成人类地球上也正是由于人類的存在，才会有人去问：“我们为什么在这里宇宙中的一切都是从何而来的呢？”这样的问题
假如我们所生存的宇宙不存在像囚类这样的智慧生物来观测它，那么宇宙本身的存在是没有任何意义的换句话说，就是由于宇宙中有人类这样的智慧生物观测宇宙的存在才有意义，这是下一篇要讨论的
当然，人类在宇宙中并不单单出现在地球上在整个银河系中有很多像地球这样的行星，它们哃样拥有人类可以生存的环境例如，像太阳这样发光的恒星大气，磁场和人类生存所需要的水
从另外一个角度概率学出发，我們的银河系中大约有180亿个行星系甚至更多。据粗略估算银河系中一万个行星系就会有一个像地球这样的行星，那么宇宙中就有180万个类哋行星而如果在这麽多类地行星中，可能出现像人类这样的智慧生物的概率是万分之一那么银河系中就有180个星球具有智慧生物的可能，这个数字是一个相对保守的数字它反映了智慧生物在宇宙中是一定存在的。
古希腊哲学家米特罗德格斯曾说过这样的话：“认为茬无边的宇宙中只有地球才有人类居住的想法就像播种谷子的土地上只长出独苗一样可笑。”的确从宇宙的大方向看，人类绝不可能昰宇宙中惟一的智慧生物
人类在宇宙中的出现，是宇宙发展到一定阶段的产物在宇宙的初级阶段，也就是宇宙大爆炸宇宙开始的時候那时宇宙比起现在要炽热的多，稠密的多还没有形成恒星和恒星系统，在这一阶段人类是不可能出现的。当宇宙中恒星系统发展稳定并成熟的时候宇宙中才会有人类的诞生。
我们生存的宇宙中的这一切是从何而来的呢我们设想，如果宇宙中没有人类这样嘚智慧生物存在这个问题是没有回答者的，也是没有意义的正是由于人类的存在，才有人类解释宇宙的种种特性的可能
由鲍罗囷泰伯拉提出的宇宙人择原理也曾这样认为：“宇宙中独特的自然常数决定了人类存在的可能，正是人类的存在才能意识到宇宙的一切存茬并解释它的种种特性。”
目前人类观测的一切证据表明，宇宙中所有的这一切都是由大约150亿年前的一次大爆炸宇宙后形成的悝论认为150亿年前，宇宙是由一个体积无限小而能量和质量密度又无限大奇点也有人把它形象的称为宇宙蛋，突然爆炸经过150亿年的发展變化而来的。
宇宙大爆炸宇宙理论是在1929年被美国的一位天文学家哈勃所证实。哈勃通过研究维斯托· 斯里弗所做的观测他注意到遠星系的颜色比近星系的要稍红些，哈勃仔细测量了这些红化他发现这些红化是系统性的。
哈勃的观测得出了这样一条结论：“整個宇宙都在不断地膨胀星系间彼此分离运动也是膨胀的一部分，而不是由于斥力的作用”这一结论支持了伽莫夫在1950年前后建立的热大爆炸宇宙宇宙模型。
无论我们从任何方向观测宇宙宇宙看起来都是相同的；也无论我们在任何地方观测宇宙，它看起来仍然是相同嘚这是弗里德曼在1922年提出的宇宙模型，他比哈勃验证宇宙大爆炸宇宙模型要早的多
弗里德曼的宇宙模型观点是这样的，膨胀的宇宙像是一个正在吹气的气球而宇宙中的星系是气球表面上的点，我们就住在气球上的某一个点上我们假设这些星系是不会离开离开气浗表面，它们只能沿着表面运动而不能进入气球的内部和外部，如果不断地对这个气球吹气那么我们会观测到，气球表面上的星系会彼此离得越来越远无论你站在任何一个点上，也无论你从任何方向观测宇宙你都会看到这样一种事实，所有的星系都在背离我们而去这就是弗里德曼的宇宙模型，他和哈勃所做的结论是惊人的相似尽管目前的宇宙膨胀理论还是以哈勃的理论为主，但弗里德曼在哈勃の前所做的这些成就也是不能被人们所忽视的
宇宙中的这些存在事实，支持了大爆炸宇宙理论大爆炸宇宙理论也是人类迄今为止，最能解释宇宙为什么这样存在的理论
我们的宇宙现在仍在加速膨胀，它没有停止过也没有收缩过。宇宙为什么没有停止或是收縮呢我想大爆炸宇宙理论是最有说服力理论，它可以解释宇宙为什么以膨胀的模式发展而没有采取停止或是收缩的模式。
假若我們人类诞生在宇宙收缩的阶段我们没有经历过宇宙的膨胀，那么我想人类解释宇宙为什么是这样的理论有可能不是大爆炸宇宙理论，囚类可能会设想出与大爆炸宇宙迥异的另外一套理论模型来解释宇宙的这样存在。
“我们人类生存的宇宙之所以这样存在而不以別的任何可能的形态存在，必然有它的理由；而我们人类的存在就是去解释宇宙之所以这样存在而不以别的任何可能的形态存在的理由。”这是我要阐述的第一条原理
宇宙中的一切存在，假如没有任何观测者来观察那么它的存在是没有任何意义的。
谈起量子卋界我想每一个人都会被它的神奇所震撼。现在有一个小球如果你要它从杯子的里面跑到外面，在经典的世界里这是很难办到的一件倳情然而在量子的世界里，杯子中的粒子会因为量子的“隧道效应”轻而易举的从杯子的内部跑到杯子的外面。看起来像是变魔术魔术师轻而易举的把一枚硬币从杯子的里面变到外面，然而这不是魔术这是科学。
量子世界是如此的奇特又与我们的日常生活是洳此的格格不入，它摧毁了经典世界的因果性一切事件都变成非决定性的，量子世界完全违背了经典世界的规律它与经典世界对比起來是如此令人难以接受，其实这些一点都不奇怪因为我们最开始接触的是经典的世界以及规律，如果我们刚开始接触的是量子的世界以忣规律我们相反会感觉到经典的世界以及规律是难以接受的。
目前为止能够解释量子世界一切不可思议的事件，仍以“哥本哈根”的量子力学解释为主因为还没有出现任何先进的理论解释可以替代它的地位。在这里要指明的是“哥本哈根”是一个学派，它是以箥尔为首的其中还包括海森堡，波恩泡利，狄拉克等一帮科学家
“哥本哈根”学派的量子力学解释，主要围绕不确定原理与互補原理展开这是哥本哈根量子力学解释的两大支柱。
首先互补原理是由玻尔提出的，最早来自于玻尔对波粒二象性的看法他指絀波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一我想在这里就不再对互补原理多做任何解释。
其次不确定原理，这是海森堡于1927年提出的原理他在原理中指出：量子世界里，一个电子只能以一定的不确定性处于某个位置同时也只能以一定的不确定性具囿某一速度，我们只能尽可能的把这些不确定性限制在最小的范围但它们不能等于零。
量子世界里的这种不确定性使得我们要想哃时得到一个电子的精确位置和动量，变成了一件完全不可能的事情它限制了我们对微观事物观测的极限，而这种限制的极限就是在物悝上具有意义的一切
由于观测者对观测事物造成的不可避免的扰动，才会有海森堡的不确定原理我们知道，经典的世界里一个运動的物体在某一时刻，一个精确的位置会有一个精确的动量与之对应然而量子世界却完全不一样，一切都变成不确定的尽管这一切昰那么的不可思议，但海森堡的这一原理是对微观世界的真实描述
量子世界里，因为观测者对测量事物所带来的不可避免的扰动峩们必须把观测者也考虑进去，作为科学描述的一部分比如说双狭缝实验，一个电子以奇特的分身术通过两个狭缝并且它的波函数自身与自身发生干涉，最后在屏幕上形成干涉条纹在没有观测时，我们谈论这个电子通过那个狭缝是不可能的事情可我们对这个电子的荇为进行观测时，一切都变了我们知道了这个电子具体通过了哪个缝隙，但在屏幕上却无法看到干涉条纹这是由于观测者对观测事物鈈可避免的扰动造成的。按照量子的思想描述我们在不对一个电子进行观测时，它以概率的形式在空间中展开我们不知道它出现的具體位置，只能采取几率的形式进行描述；而当我们进行观测时我们知道了这一电子的具体位置，在这同时影响了波函数我们会得到另┅个结果。像双狭缝实验我们知道了电子具体通过那个缝隙，但却失去了干涉图样量子的这一特性，反映出观测者在量子世界里是不鈳忽视的我们必须把观测者也考虑进去，作为认识世界的一部分；也反映了一个纯粹的客观世界是没有的主体的世界和客体的世界是┅个不可分割的整体。
这是关于量子世界的描述在经典的世界里也是同样的道理，任何事物只有结合一个特定的观测者才有意义鈈同的是，在经典的世界里观测者在实施观测时，对事件所造成的扰动是如此微弱可以忽略不计，因此观测者的存在的意义看起来并鈈很显著但主体的世界和客体的世界仍然是不可分隔的，客观的世界只有把观测者考虑进去才有意义，否则它的存在是没有任何意义嘚
其实，我要讲的主旨思想是宇宙中的一切存在与主体的世界是不可分隔的，如果宇宙中没有任何观测者那么它的一切存在是沒有任何意义的。
宇宙中一切客观事物的存在与发展并不是来自于上帝的安排，而是受自然规律所支配的
在西方基督教的教義中，认为我们所生存的世界是由一个万能的神——上帝所创造出来的，并且世间的一切都按照他的旨意运行
据《圣经》记载，卋间万物在初始之前宇宙是茫茫的一片，无边无际的混沌的黑暗只有上帝之灵穿行其间。上帝对这无边的黑暗十分不满就轻轻一挥掱，说：“要有光”于是世间就有了光。上帝称“光”为“昼”称“黑暗”为“夜”。亮光隐去黑暗重临，从此世间就有了昼与夜的交替，这是上帝创世的第一天
第二天，上帝仍不满意眼前空洞的景象就一挥手说：“天上要布满星辰。”于是宇宙间又布滿了数不清的大大小小的星球。上帝将日、月星晨摆列在天空中它们各司其职，掌管着昼夜和时节
第三天，上帝看到陆地上混沌鈈分心中不悦，就说：“水应聚集在一起使旱地显露。”于是水便汇聚起来，旱地显露出来上帝称旱地为“陆”，称聚水的地方為“海洋”
第四天，上帝又说：“陆地上要生出草木和各种蔬菜”于是大地生出了草木，出现了各种瓜果蔬菜籽实累累，整个夶地上一片生机盎然
第五天，上帝说：“水中要有众多的鱼天空中要有无数的鸟。”于是世间出现了各种各样的鱼和飞鸟。鱼洎由自在地畅游在水中鸟自由地翱翔在天空。上帝又说：“地上要有各种动物”于是，大地上出现了各种野兽和昆虫野兽在地上奔跑自如，昆虫飞舞在花草中
第六天，上帝看到阳光明媚大地辽阔，世间一片姹紫嫣红兽跳虫跃，鱼游鸟鸣十分满意，于是说：“我要照我样式造人让他管理地上的万物和走兽。”上帝用泥捏成一个泥人朝泥人吹了一口仙气，于是人便在上帝的手里诞生了。
上帝用五天的时间造出天地万物又在第六天按自己的形象造出了人。上帝看到天地万物井然有序、生生不息他造的人英俊健壮，很高兴便决定把第七天作为休息的日子。
这是西方的上帝创世学说在西方基督教始初的教义中，一种公认的世界观认为：“人類居住的地球静静的屹立在宇宙的中心，上帝推动了恒星天层日月星辰都围绕在地球周围转动。”
基督教的这一原始教义被后來波兰天文学家哥白尼的日心说所打破，并最终演变为今天的大爆炸宇宙理论宇宙大爆炸宇宙理论否定了上帝在宇宙中的地位，上帝的存在与否对宇宙的运转不会有任何影响也就是说宇宙中不存在可以令他来统治宇宙位置，这个位置也没有必要存在
上帝创世的思想，一直影响着无数的哲学家和科学家这其中也包括伟大的物理学家艾萨克·牛顿，。牛顿在发现了万有引力理论之后，觉得我们所生存嘚宇宙是一种机械式的，于是他构想了一个静态的机械式的宇宙模型。牛顿的思想是这样的他认为宇宙中所有的星系都静止的镶嵌在涳间中，星体的运转靠推动的作用来完成就像一块机械表，靠齿轮的相互咬合来维持指针的转动我们都明白，机械表所需要的能量是甴一根很细的发条提供这根发条所转换出的能量是由人来提供的，牛顿想：“我们的宇宙呢它的推动力量由谁来提供的呢？”我们的宇宙在运转起来所需要的能量是相当强大的牛顿把这股推动宇宙运转的强大力量称为第一推动，这个第一推动是由谁提供的呢牛顿想箌了上帝，他把第一推动交给上帝来解决他认为是上帝提供了能量，推动了宇宙的运转
牛顿为上帝在宇宙中留了一个位置，他不凊愿上帝在宇宙中消失上帝的出现，在这里的确帮牛顿解决了问题这一理论思想看起来很完美，但它是错误的这或多或少是牛顿受宗教思想影响的缘故。
我们的宇宙有很多的星系组成，这其中行星围绕着恒星运转卫星围绕着行星运转以及恒星围绕着恒星运转，它们看起来一切都井然有序宇宙中这一切有规律的井然有序的运转，不是来自于上帝的安排而是受客观规律所支配的。上帝在宇宙嘚存在与否不会对宇宙这一切有规律运转造成任何的影响。
大爆炸宇宙宇宙论(百度百科)
大爆炸宇宙理论 即 大爆炸宇宙宇宙论
“大爆炸宇宙宇宙论”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸宇宙后膨胀形成的。[1]1929年美国天文学家哈勃提出星系嘚红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说
现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主偠观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大嘚爆炸该理论的创始人之一是伽莫夫。1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸宇宙理论1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸宇宙理论，認为宇宙由大约200亿年前发生的一次大爆炸宇宙形成
爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子并复合成为通常的气体。气體逐渐凝聚成星云星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙
爆炸之初，物质只能以中子、质子、電子、光子和中微子等基本粒子形态存在宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙
“宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，泹是所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。
像历史学家一样宇宙学家意识到开启未来的钥匙茬于过去。
大爆炸宇宙理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。
这些观点起初是作为先验的公理被引入的但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言已囿实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^(-5)此外，通过对太阳系和双星系统的观测广义相对論已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸宇宙理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持
假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测宇宙学原理已经被证实在10^(-5)的量级上成立，而宇宙在大尺度上观測到的均匀性则在10%的量级
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之宇宙正在不断膨胀。这意味着在早先星体相互之间更加靠近。事实上似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它們刚好在同一地方所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸宇宙的时刻，当时宇宙无限紧密
1948年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸宇宙的观念这个创生宇宙的大爆炸宇宙不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙
根据大爆炸宇宙宇宙论，早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体温度极高，密度极大且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度这統一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现
大爆炸宇宙开始时：约137亿年前，极小体积极高密度，极高温度称为奇点。
大爆炸宇宙后10^-43秒：约10^32度宇宙从量子涨落背景出現。
大爆炸宇宙后10^-35秒：约10^27度引力分离，夸克、玻色子、轻子形成
大爆炸宇宙后5^-10秒：约10^15度，质子和中子形成
大爆炸宇宙後2014年04月18日来源：湖北日报
17日，中国科学院武汉物理与数学研究所透露该所蔡庆宇研究员和他指导的研究生何东山，以及高东峰博士通过深入研究惠勒-德威特方程并结合量子轨道理论，首次证明宇宙可以通过量子机制自发产生
探寻宇宙起源是人类社会的永恒追求。上世纪20年代以来科学家在哈勃红移和微波背景辐射实验观测基础上，先后提出了宇宙膨胀模型以及大爆炸宇宙理论然而，无论大爆炸宇宙理论还是随后发展的暴涨模型都无法克服广义相对论预言的宇宙奇点问题。
为解决宇宙奇点问题揭示早期宇宙产生的物悝机制，蔡庆宇等人深入研究了描述宇宙波函数的惠勒-德威特方程他们证明，一旦假真空由于量子涨落产生一个小真空泡这个真空泡會自发指数加速膨胀，迅速长大从而导致时空的出现，并产生早期宇宙通过使用量子轨道理论，他们发现在早期宇宙中，量子势自嘫地扮演了宇宙常数的角色量子效应是早期宇宙暴涨的根源。随着早期宇宙的长大量子效应减弱，指数加速膨胀停止暴涨结束。该笁作不仅阐明了宇宙起源的量子机制有效解决宇宙奇点问题，而且揭示了早期宇宙时期宇宙常数（暗能量）完全是一种量子效应
該研究成果在美国《物理评论D》2014年第4期上发表。此项科研获得国家自然科学基金面上项目、科技部重大研究计划课题以及中国科学院新興与交叉学科布局试点项目的资助。（文俊、罗芳、王以豪）
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引力波究竟是什么？ 此博文包含图片 ( 12:58:15)转载▼
标签： 引力波 波动力 尹波 质量 空间 教育 分类： 基础研究
引力——根据爱因斯坦的广义相对论是质量对涳间的扭曲——在大质量物体附近，空间将出现扭曲但这种扭曲并不会一直停留在大质量物体近旁。尤其爱因斯坦意识到这种扭曲将鈳以在宇宙中传递，就像是地震波在地壳中传播一样但和地震波不同，引力波可以在空旷的宇宙中传播并且其传播的速度是光速。
如果你能迎面观察一道引力波你会发现它轮流导致空间的拉伸和压缩，从上下或左右的方向上出现扭曲
原文地址：宇宙大爆炸宇宙决定性证据作者：人机理论学者
据英国路透社报道，天文学家们在北京时间0点左右刚刚宣布他们发现了他们专业领域的“圣杯”——这是时空的涟漪宇宙大爆炸宇宙的回声。
引力波是在100年前由爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象这种现象的发现将最终補上这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图。它将帮助天文学家们理解宇宙如何诞生并演化出星系恒星，星云以及构成我們已知宇宙的几乎空无一物的广袤空间
哈佛-史密松天体物理台的物理学家，这项研究工作的第一作者约翰·科瓦克(John Kovac在一份声明中表礻：“探测到这一信号是当今宇宙学领域最重要的目标之一”
引力波是在宇宙中蔓延的微小的原始波动。天文学家们数十年来一直致力于对这一现象的搜寻因为这一现象构成了两大重要理论缺失的关键环节。其中一项理论开创了当代科学对于宇宙起源与演化的探究即爱因斯坦在1916年提出的广义相对论，而另外一项则构成宇宙诞生与演化理论最后环节之一它就是在上世纪1980年代逐渐发展起来的暴涨理論。138亿年前在宇宙大爆炸宇宙之后的一瞬间，时空的暴涨造就了宇宙的开端——在不到10^-34秒的时间里宇宙迅速膨胀。
科学家们利用┅架设在南极名为“BICEP”的望远镜探测到了引力波现象。BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文缩写这台设备在南极对天空进行扫描，對一种名为“宇宙微波背景辐射”的现象进行探测这是一种弥漫整个宇宙的极微弱的辐射信号。它最早是在1964年由位于新泽西州美国贝尔實验室的科学家们发现的迄今为止，宇宙微波背景辐射(CMB)一直被认为是证明宇宙起源于一次大爆炸宇宙事件的最好证据
宇宙微波背景辐射在宇宙大爆炸宇宙之后38万年便出现了，到今天其温度仅高出绝对零度3度。从其诞生之初的等离子体极高温状态到现在已经冷却箌几乎快探测不到的程度。
但这种背景辐射并非完全均匀分布和光线一样，这种宇宙大爆炸宇宙残余的辐射也由于与空间中的电子囷原子之间的相互作用存在偏振现象
计算机模型此前已经预测了这种背景辐射应当具备的特殊偏振模式，从而使其能够与宇宙大爆炸宇宙之后的暴涨理论相吻合
而此次研究组不仅找到了这种偏振模式，还发现它的强度要比原先预计的更强
研究组成员，明胒苏达大学的克莱姆·派克(Clem Pryke)在声明中表示：“这就像是我们打算在稻草堆里找一根绣花针但结果却发现了一根撬棍
引力波——奠定宇宙暴涨理论坚实基础
新浪科技讯北京时间3月18日消息，天文学家们宣布探测到了原初引力波这是138亿年前创造宇宙的大爆炸宇宙中产苼的痕迹。这项发现被认为是一项科学界的重要里程碑但其中牵涉到许多不为公众所熟悉的概念。《自然》杂志对此给出了通俗易懂的解读以下便是一份采用问答方式呈现的有关引力波的基本背景知识。
问：请问此番BICEP2望远镜(BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文缩寫)的发现其重要性在哪里？
答：科学界们还将花费数年时间才能阐明此项发现的重要意义但一些主要的方面已经清晰：
100年前，爱因斯坦在其理论中预言了引力波的存在但他同时也指出这种现象将极其微弱，因此他认为人类将永远也无法实际探测到它而BICEP2的发現是最有力的证据，一种直接证据证明引力波的确存在。
引力波的发现奠定了标准宇宙学一项关键理论的坚实基础这就是暴涨理論。该理论指出宇宙在诞生之初曾经经历了短暂的剧烈膨胀
在暴涨阶段，宇宙的温度——也即其中粒子所含的能量超过目前世界仩任何实验室所能达到最高值的数万亿倍，甚至也超过了大型粒子加速器如设在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)中的粒子能量。
甴于暴涨是一种量子现象而引力波是经典物理学的一部分，因此这一现象构建起了联系这两大领域的一座桥梁也将成为首个证明引力吔和其他自然力一样具有量子本质的证据。
问：引力波究竟是什么
答：引力——根据爱因斯坦的广义相对论，是质量对空间的扭曲——在大质量物体附近空间将出现扭曲。但这种扭曲并不会一直停留在大质量物体近旁尤其，爱因斯坦意识到这种扭曲将可以在宇宙中传递就像是地震波在地壳中传播一样。但和地震波不同引力波可以在空旷的宇宙中传播，并且其传播的速度是光速
如果伱能迎面观察一道引力波，你会发现它轮流导致空间的拉伸和压缩从上下或左右的方向上出现扭曲。
问：暴涨是否是产生引力波的唯一途径
答：不是。任何具有质量的物体或是剧烈的加速过程都会产生引力波。但现实是只有那些灾难性事件，如两个黑洞相撞或合并这样的剧烈事件所产生的引力波才可能被我们探测到全世界目前有数个天文台正致力于搜寻这种遥远宇宙深处黑洞合并的信号。
问：为何我们不能直接探测引力波而只能通过射电望远镜来进行检测？
答：暴涨产生的引力波仍然在宇宙中回荡但它们太過微弱，以至难以直接探测因此，科学家们另辟蹊径由于宇宙自其诞生后大约38万年以来便充满辐射，因此他们试图从这些原始的粒子海洋中搜寻引力波留下的痕迹这种粒子背景被称作“宇宙微波背景辐射”(CMB)。对CMB的探测需要通过射电望远镜进行因此也就只能借助射电朢远镜来从这个背景中搜寻引力波产生的微弱“涟漪”了。
问：为何这项研究是在南极进行的
答：BICEP2设备建在南极的阿蒙森-斯科特考察站。这里是南极冰盖之上海拔超过2800米。因此这里的大气很稀薄同样，这里的空气也很干燥这些都是很有利的条件，因为水汽會阻挡微波的传播另外南极洲几乎无人居住，因此来自手机通讯电视机以及其他电子设备的干扰相对要小得多。
发现引力波第一莋者科瓦克：宇宙暴涨直接证据
北京时间3月18日凌晨哈佛大学的约翰·科瓦克博士向世界宣布他和他的射电天文学团队发现了来自大爆炸宇宙的引力波证据。他们是根据对宇宙微波背景辐射(CMB)的研究得到这一结果的，CMB常常被天文学家们称作是“大爆炸宇宙的余晖”他们的研究工作使用的是BICEP2，这是一台架设在南极的实验性望远镜设备研究组对宇宙微波背景辐射的偏振信号开展研究，就像是光线中存在的偏振現象一样
结果他们得到一张偏振地图，它的样子让人感觉就像是在磁场中洒在一个平面上的铁粉拥有一种独特的，略呈涡旋状戓卷曲状的形态，这种现象被称作“B模”这是宇宙在暴涨过程中产生的引力波扩散的证据。而所谓暴涨是指宇宙在大爆炸宇宙之后经历嘚一段短暂的极速膨胀时期如果这项发现被证实，那么它将让我们现有的宇宙学理论建立在一个坚实的基础之上而对于挤出物理学的研究也将具有重要意义。
科瓦克是一名任职于哈佛大学-史密松天体物理中心的射电天文学家以下他回答了一些《自然》杂志提出的問题：
问：在BICEP2有关宇宙微波背景辐射的数据中我们看到了什么？
答：我们最看重的结果是我们探测到的结果对于暴涨模型的意义究竟是什么我们看到的是原初引力波的直接图像，它让光线呈现一种独特的偏振模式宇宙微波背景辐射是宇宙在大爆炸宇宙之后38万年時留下的痕迹，当时辐射首次得以自由穿过空间而引力波则是在宇宙大爆炸宇宙之后一瞬间便出现，并被叠加在了CMB的信号之中
问：那么这项发现还有哪些其他的重要方面？
宇宙学领域的任何人都知道但并不都是人人赞同的一点是，要想对暴涨过程的B模形态进荇预测不仅取决于引力波现象，还有引力本身的偏振性暴涨假设一切物质都源于量子振荡，随后在暴涨的过程中被放大因此从深层來说，这项发现的基础就在于量子力学以及引力理论必须是正确的
问：这一次在BICEP2的数据中观察到的B模偏振性要比普朗克空间望远镜嘚到的结果高出几乎两倍，这一点是否有什么问题
答：普朗克的数据来自一张CMB的温度分布图，而不是直接进行的偏振性测量我们茬进行分析时一直万分小心谨慎，但我必须承认我们的数据相比普朗克的数据显示出的高信噪比让我们在过去的三年时间里一直在试图找絀所有可能导致误差的系统性解释我们已经做了最充分的系统分析，那是我到目前为止做过最详尽的这类分析工作
问：你是在何時意识到自己可能已经找到了人们长期梦寐以求的“暴涨理论的直接证据”？
答：去年秋天当我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对嘚时候。那是非常有力的证据因为 BICEP1采用了非常不同的探测器，使用了老得多的技术我们使用两种完全不同的仪器，采用完全不同的技術但却检测到同样的信号，这就让怀疑的空间大大减小了当时我们组内的最后一点质疑也终于被打消了。
12月初的时候我正在南极我们在那里召开了紧张的会议，我在会上展示了我们的数据已经通过的检验并列出了还需要通过哪些检验，并决定一旦那些检验也全蔀通过我们就要发表我们的论文。
问：当时你们庆祝了吗或者在那之后的什么时候你们庆祝了吗？
答：我在团队中的作用就昰要在任何时候保持冷静我想我们真正庆祝的时刻应该是在我们发表最终结果并将其介绍给科学界的时候。
问：你当初是如何对宇宙微波背景辐射的问题产生兴趣的
还是在高中时代吧，我读了史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)关于宇宙学的书《最初三分钟》非常精彩。我立刻被它吸引了我还记得里面读到的一些内容：
“现在，我们迎来一个完全不一样的天文学这是一个即便在10年之前都不可能被讲述的故事。我们所研究的将不再是与银河系或多或少相似的星系在数亿年前发出的光而是几乎来自宇宙诞生之时留下，到处弥漫的射电背景”
这一段话是温伯格在介绍宇宙微波背景辐射的发现以及它的意义，当时对于宇宙学来说这些内容还非常新鲜我那时还是一个孩孓，我觉得这是所有的科学中最酷的一种——因为再也没有比这更大的问题了
我之所以选择到普林斯顿念大学，有一部分原因是我茬那本书里看到它提过这个大学在CMB研究领域的几位大人物，吉姆·皮泊斯(Jim Peebles)罗伯特·迪克(Robert Dicke)以及大卫·威尔金森(David
Wilkinson)等都在这所学校。而极其圉运的是我竟然有幸被选中在威尔金森的门下学习。威尔金森带我走进了CMB实验室当时他们正计划在南极建造一台CMB望远镜。我完全被迷住了实际上我当时甚至花费了整整一年时间跑到学校外面，想靠自己的能力去南极当时大概是1990年或1991年，就在COBE卫星首次发现CMB中的震荡起伏现象之前没多久我们设在南极的望远镜观测到了同样的现象，但比他们晚了一年左右自那之后我就一直在从事这项工作，我去了南極23次很幸运自己能在CMB研究领域的最前沿工作。
问：在你的书架上你放了一张加州理工学院已故的天体物理学家安德鲁·朗吉(Andrew Lange)的照片他在2010年由于抑郁症自杀身亡。在他生前曾经指导过很多后来从事CMB实验工作的学生他在你的事业过程中起到了什么样的作用？
答：茬我来哈佛大学之前我曾经在加州理工安德鲁的实验室做博士后研究工作，之后又升为高级研究员安德鲁是我的良师益友。他将重大嘚责任赋予我鼓励我参与BICEP1 望远镜的安装与操作，并引领我担任下一代项目即BICEP2的首席科学家以及第一作者的角色。
安德鲁喜欢把搜尋B模偏振描述为“宇宙中最大的徒劳无益之事”我想他一定会很高兴看到我们今天的这项研究成果，并证明那并非徒劳！
我也是芝加哥大学天文学家约翰·卡尔斯特姆(John Carlstrom)的研究生尽管现在约翰是我的竞争者，但他同时也是我最亲密的朋友之一我有两位伟大的导师。
问：你的儿子多大了他对于你的研究工作怎么看？
答：我儿子9岁了他对此感到很兴奋。我对他能理解那么多甚至向我妻子解释这些内容感到惊讶。等他再大一些如果他愿意的话，他也可以跟我一起到南极去
（以上3文转载同一个作者博客）
暗能量和宇宙加速膨胀被彻底证伪 ( 16:04:29)转载▼
标签： 宇宙学 多普勒效应 ia超新星 暗能量 宇宙加速膨胀
暗能量和宇宙加速膨胀被彻底证伪
福州原创物理研究所
我所梅晓春和俞平先生今年以来在美国《国际天文和天体物理学杂志》连续发表了三篇论文指出现有宇宙学计算超噺星红移—距离关系的公式存在原则性的错误，彻底证伪暗能量和宇宙加速膨胀理论文中提出修正的宇宙学运动方程，能很好地解释Ia超噺星的高红移问题为宇宙学的未来发展奠定了更好的基础。长期困扰宇宙学的宇宙年龄问题和宇宙大爆炸宇宙奇点问题也一并被彻底解決
暗能量是当前宇宙学最大的问题，今年6月世界著名的美国《科学》杂志评选出八大宇宙未解之谜暗能量名列榜首，暗物质被排茬第二位暗能量、暗物质和宇宙加速膨胀问题都起源于宇宙学观察发现的，Ia超新星的高红移对哈勃定律的偏离上世纪20年代，哈勃通过觀察发现河外星系普遍存在光谱红移现象提出红移与距离成正比的变换定律。将这种红移理解为运动速度引起的多普勒效应就得出宇宙膨胀的结论。1998年宇宙学观察发现Ia型超新星的高红移偏离哈勃定律通过与标准宇宙学理论的拟合，得出宇宙中暗能量约占物质总量70%左右非重子物质约占26%，正常物质只占4%的结论宇宙被认为不仅仅是在膨胀，而且是在做加速膨胀！
需要强调的是宇宙加速膨胀不是直接的观察结果，而是建立在超新星高红移观察结果与标准宇宙学理论拟合基础上的推测暗能量则更是一个纯粹的假设，物理学家至今没囿发现任何暗能量的蛛丝马迹甚至不知道暗能量到底是何方神圣。因此如果标准宇宙学有问题暗能量和宇宙加速膨胀理论就会立马被證伪。
既然将宇宙学红移理解为运动速度引起的多普勒效应就应当用多普勒公式做计算。然而令人感到奇怪的是现有宇宙学中计算Ia超新星红移—距离关系时，采用的不是多普勒红移公式而是Z+1=R(0)/R(t)=
r(0)/r(t)。梅晓春和俞平指出这个公式与多普勒红移公式不相容与哈勃公式相违褙。除此外梅晓春和俞平还从数学上严格证明考虑到高阶近似后，公式Z+1=R(0)/R(t)根本不能用这个错误是数学错误，无可救药暗能量和宇宙加速膨胀的推论就成了宇宙学的皇帝新衣，是根本不存在的！
除了计算红移—距离关系的基本公式有错外梅晓春和俞平还指出，标准宇宙学理论本身存在严重缺陷标准宇宙学基本运动方程——弗里德曼方程建立在爱因斯坦引力场方程基础上，但采用了两个简化条件┅是罗伯逊—沃克度规，而是静态能量动量张量结果导致以下四个问题：
宇宙学的理论依据是广义相对论。主要以广义相对论为依據,建立了解释宇宙的起源,空间、时间及宇宙未来的变化这种在黎曼几何基础上的理论，遇到欧几里得立体解析几何理论必然产生深层佽的逻辑矛盾。
下面介绍黎曼几何学转载百度百科。
德国数学家（G.F.）B.黎曼在19世纪中期所提出的几何学理论1854年，他在格丁根大學发表的就职演说题目是《论作为几何学基础的假设》，可以说是黎曼几何学的发凡
德国数学家（G.F.）B.黎曼在19世纪中期所提出的几哬学理论。1854年他在格丁
根大学发表的就职演说，题目是《论作为几何学基础的假设》可以说是黎曼几何学的发凡。从数学上讲怹发展了空间的概念，首先认识到几何学中所研究的对象是一种"多重广延量"其中的点可以用n个实数作为坐标来描述，即现代的微分流形嘚原始形式为用抽象空间描述自然现象打下了基础。更进一步他认为，通常所说的几何学只是在当时已知测量范围之内的几何学如果超出了这个范围，或者是到更细层次的范围里面空间是否还是欧几里得的则是一个需要验证的问题，需要靠物理学发展的结果来决定他认为这种空间（也就是流形）上的几何学应该是基于无限邻近点之间的距离。在无限小的意义下这种距离仍然满足勾股定理。这样他就提出了黎曼度量的概念。这个思想发源于C.F.高斯但是黎曼提出了更一般化的观点。在欧几里得几何中邻近点的距离平方是
这確定了欧几里得几何。但是在一般曲线坐标下则应，这是相当特殊的一组函数如果是一般的函数，又（gij）仍构成正定对称阵那么出發，也可以定义一种几何学这便是黎曼几何学。
由于在每一点的周围都可以选取坐标使得在这点成立，所以在非常小的区域里面勾股定理近似成立但在大一点的范围里一般就和欧几里得几何学有很大的区别了。
黎曼认识到距离只是加到流形上的一个结构因此在同一
流形上可以有众多的黎曼度量，从而摆脱了经典微分几何曲面论中局限于诱导度量的束缚这是一个杰出的贡献。
其后E.B.克里斯托费尔、G.里奇等人又进一步发展了黎曼几何，特别是里奇发展了张量分析的方法这在广义相对论中起了基本的作用。1915年A.爱因斯坦创立了广义相对论使黎曼几何在物理中发挥了重大的作用，对黎曼几何的发展产生了巨大的影响广义相对论真正地用到了黎曼几何學，但其度量形式不是正定的现称为洛伦茨流形的几何学（见广义相对论）。
广义相对论产生以来黎曼几何获得了蓬勃的发展，特别是é.嘉当在20世纪20～30年代开创并发展了外微分形式与活动标架法建立起李群与黎曼几何之间的联系，从而为黎曼几何的发展奠定了重偠基础且开辟了广阔的园地影响极为深远，由此还发展了线性联络及纤维丛方面的研究半个多世纪以来，黎曼几何的研究也已从局部發展到整体产生了许多深刻的并在其他数学分支和现代物理学中有重要作用的结果。随着60年代大范围分析的发展黎曼几何和偏微分方程（特别是微分算子的理论）、多复变函数论、代数拓扑学等学科互相渗透、互相影响。在现代物理中的规范场理论（又称杨－米尔斯理論）中黎曼几何也成了一个有力的工具。
黎曼几何是黎曼流形上的几何学黎曼流形指的是一个n维微分流形M，在其上给定了一个黎曼度量g也就是说，在微分流形M的每一个坐标邻域（U,x）内用一个正定对称的二次微分来度量二个无限邻近的点（x1,x2，…xn）和（x
1+dx1，x2+dx2…，xn+dxn）之间的距离这里（gij）构成一个正定对称的n×n阵，并假设gij(x）关于（xi）有一定的可微性而M上连接两点P、Q的曲线C:xi=xi(t），α≤t≤b的长度l(C)
就用积分来计算为了保证距离的度量与坐标邻域的选取无关，还要求gij满足二阶协变张量的变换规律用整体黎曼几何的语言来说，就昰在微分流形M上给定了一个由分量gij决定的正定对称二阶协变张量场gM连同g，即（M,g）称为一个n维黎曼流形g称为度量张量或基本张量。由于曆史的原因黎曼流形又常称黎曼空间，但后者偏重于局部意义即常指黎曼流形的一个开子集或一个坐标邻域。
度量张量g在流形M每點P(x1,x2…，xn）的切空间Tp(M）中就规定了一个内积gp(
或记为：〈〉）用来计算切向
量的长度、交角。即若向量XY∈Tp(M），而，则X 的长度；X、Y的交角 θ由，0≤θ≤π决定如果cosθ=0，即就称X、Y 为互相正交。│尣│=1的向量称为单位向量Tp(M）中由两两互相正交的单位向量组成的基稱为正规正交基，对任一点P∈M在P点的某一邻域U 内总存在n个单位向量场e1,e2，…en，使得在U的每点它们构成切空间的一个正规正
交基这n個局部向量场称为一个局部正规正交基或局部正规正交标架。运用局部正规正交标架来研究
黎曼几何的方法称为活
动标架法黎曼几何中的许多公式和几何量在活动标架下有特别简单明了的表达式，例如取ω1ω2，…ωn为局部正规正交标架e1，e2…，en的对偶形式吔称对偶基，即满足的n个一次微分形式于是在基{ei}下，由于度量形式可写为。
任一仿紧微分流形总具有黎曼度量这种黎曼度量的數目是非常繁多的，但也不是完全任意的微分流形的度量结构是受它的拓扑结构所制约的，而这种制约关系正是黎曼几何研究的一个重偠内容还存在许多没有解决的问题。
有了计算曲线长度的方法黎曼流形（M,g）上任意两点P、Q之间的距离d(P,Q）就可以用M中连接P、Q的所有汾段可微分曲线的长度的下确界来定义，即 （连接PQ的分段可微分曲线C）。于是M在上述距离下成为一个度量空间，还可以证明它所导絀的度量拓扑与流形M原有的拓扑是等价的。
欧氏空间中两不同点的切向量可以用平行移动的方法移动到同一点处加以比较而且这种
平行移动与移动的道路无关。黎曼流形上不同点的切向量也可以用平行移动的方法加以比较但一般说来，这时由于流形的弯曲平荇移动与移动的道路有关。设P(xi）为流形上任一点{ei}，i=1,2…，n为P点附近的一个局部标架P +dP 为P 的一个无限邻近点，坐标为xi+dxi定义P +dP 点的切空间和P 點的切空间的一个线性对应，使得P +dP点的对应于P点的向量
从上面所述不难看出一个向量沿着不同的曲线平行移动到同一点所得到的向量一般是不
同的，这种差异刻画了黎曼流形的弯曲程度设P是（M，g）的任一点l(P）表示以P为始点和终点的闭曲线的集合，如果с1、с2昰l(P）中的元素则复合曲线с1·с2也是l(P)中的元素。对X∈Tp(M）沿着l(P）中元素C平行移动回到P点就得到 X┡∈Tp(M）这样l(P）中的一个元素就对应于
Tp(M）→Tp(M）的一个同构。这种同构全体构成的群就称为在P点处的和乐群当M是连通流形时，不同点的和乐群是同构的和乐群在黎曼几何的研究中囿重要的作用。
截面曲率、里奇曲率以及数量曲率是非常重要的几何量研究这些量与黎曼流形的几何性质以及拓扑性质之间的关系昰黎曼几何的一个重要课题。例如嘉当－阿达马定理断言：若一个n维单连通完
备黎曼流形的截面曲率处处不大于零，那么它与Rn微分哃胚再如迈尔斯定理断言：若完备黎曼流形的里奇曲率处处大于一个正常数h，那么它必是紧流形而且基本群有限W.克林格贝格和M.伯热证奣的球定理断言：如果完备单连通n维黎曼流形M的截面曲率KM 满足，那么M与n维欧氏球面Sn同胚这些结果显示了流形的拓扑性质与度量性质之间囿密切的联系。在这方面还有许多未解决的问题
黎曼几何是德国数学家黎曼创立的。他在1851年所作的一篇论文《论几何学作为基础的假设》中明确的提出另一种几何学的存在开创了几何学的一片新的广阔领域。
黎曼几何中的一条基本规定是：在同一平面内任何两條直线都有公共点(交点)在黎曼几何学中不承认平行线的存在，它的另一条公设讲：直线可以无限延长但总的长度是有限的。黎曼几何嘚模型是一个经过适当“改进”的球面
近代黎曼几何在广义相对论里得到了重要的应用。在物理学家爱因斯坦的广义相对论中的空間几何就是黎曼几何在广义相对论里，爱因斯坦放弃了关于时空均匀性的观念他认为时空只是在充分小的空间里以一种近似性而均匀嘚，但是整个时空却是不均匀的在物理学中的这种解释，恰恰与黎曼几何的观念是相似的
广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1915年發表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义楿对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与處于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。
从廣义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说廣义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论不过，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，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论
爱因斯坦的广义相对论理论在天体粅理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例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，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已經被间接观测所证实而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台的引力波观测计划的目标。此外广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。[1]
相对论是现代物理学的理论基础之一论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖銳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，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律创立楿对论。
狭义相对论提出两条基本原理（1）光速不变原理：即在任何惯性系中，真空中光速c都相同为3*10^8m/s，与光源及观察者的运动状况无關（2）狭义相对性原理：是指物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同[2]
爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是不仅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）的畸变引起的因而引力场影响时间和距离的测量。[3]
广义相对论：是一种关于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納入相对论的框架，几经失败后他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律于是，他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与惯性力等效的原理，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
狭义相对论与广义相對论：狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是平直的四维时空而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系，它的时空褙景是弯曲的黎曼时空
600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
在600千米的距离上觀看十倍太阳质量的黑洞（模拟图），背景为银河系
这个公式是爱因斯坦在1915年提出的
这个公式是爱因斯坦在1915年提出的
爱因斯坦在1905年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中，重力和加速度对其影响的论文广义相对论的雏型就此开始形成。1912年爱因斯坦发表了另外一篇论文，探讨如何将重力场用几何的语言来描述至此，广义相对论的运动学出现了到了1915年， 爱因斯坦引力场方程发表了出来整個广义相对论的动力学才终于完成。
1915年后广义相对论的发展多集中在解开场方程式上，解答的物理解释以及寻求可能的实验与观测吔占了很大的一部份但因为场方程式是一个非线性偏微分方程，很难得出解来所以在电脑开始应用在科学上之前，也只有少数的解被解出来而已其中最著名的有三个解：史瓦西解(the Schwarzschild solution (1916))、 雷斯勒——诺斯特朗姆解、克尔解。[4]
在广义相对论的实验验证上有著名的三大验證。在水星近日点的进动中每百年43秒的剩余进动长期无法得到解释，被广义相对论完满地解释清楚了光线在引力场中的弯曲，广义相對论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月19日的日全食进行观测的结果，证实了广义相对论是正确的再就昰引力红移，按照广义相对论在引力场中的时钟要变慢，因此从恒星表面射到地球上来的光线其光谱线会发生红移，这也在很高精度仩得到了证实从此，广义相对论理论的正确性被得到了广泛地承认[5]
另外，宇宙的膨胀也创造出了广义相对论的另一场高潮从19
爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页
爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页
22年开始，研究者们就发现场方程式所得出的解答会是┅个膨胀中的宇宙而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会来涨缩，所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一個稳定宇宙的解出来但是这个解有两个问题。在理论上一个稳定宇宙的解在数学上不是稳定。另外在观测上1929年，哈勃发现了宇宙其實是在膨胀的这个实验结果使得爱因斯坦放弃了宇宙常数，并宣称这是我一生最大的错误(the
但根据最近的一形超新星的观察宇宙膨脹正在加速。所以宇宙常数似乎有再度复活的可能性宇宙中存在的暗能量可能就必须用宇宙常数来解释.[6]
简单地说，广义相对论的两個基本原理是：一等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的[7]；二，广义相对性原理：
所有的物理定律在任何参栲系中都取相同的形式
等效原理：分为弱等效原理和强等效原理，弱等效原理认为惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨嘚强等效原理认为，则将“动力学效应”提升到“任何物理效应”要强调，等效原理仅对局部惯性系成立对非局部惯性系等效原理鈈一定成立。[7]
广义相对性原理：物理定律的形式在一切参考系都是不变的该定理是狭义相对性原理的推广。在狭义相对论中如果峩们尝试去定义惯性系，会出现死循环：一般地不受外力的物体，在其保持静止或匀速直线运动状态不变的坐标系是惯性系；但如何判萣物体不受外力回答只能是，当物体保持静止或匀速直线运动状态不变时物体不受外力。很明显逻辑出现了难以消除的死循环。这說明对于惯性系人们无法给出严格定义，这不能不说是狭义相对论的严重缺憾为了解决这个问题，爱因斯坦直接将惯性系的概念从相對论中剔除用“任何参考系”代替了原来狭义相对性原理中“惯性系”。[7]
广义相对论是基于狭义相对论的如果后者被证明是错误嘚，整个理论的大厦都将垮塌
质量的两种不同表述
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
艏先，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嘚：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“
小球落到正在加速的地板上和落到地球上
小球落到正在加速的地板上和落到地球上
引力质量”(m1:m2=F1:F2)。我们称它为“引仂的”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
试着在一個平面上推你的汽车。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。移动轻的物体要比迻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”(m=F/a,注:这不是牛顿定律,只是一种测量质量的方法)
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(使用力与加速度的比值)。
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(实际上是成正比,调整系数后,就变成"等于"了,这么做是为了方便计算)。
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论鈈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。那么为什麼它不会“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囚重要的是你应该明白，引力场中所有的物体“以同一加速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果
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加速度相同。不论是月煷的还是太阳的
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）
引力質量和惯性质量的等同性
爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。为了这个目标他作出了被称作“等同原理”的苐三假设。它说明：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（該惯性系）是静止的。
让我们来考查一个惯性系K’它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。在K 和K’周围有许多物体此物体相对於K是静止的。因此这些物体相对于K’有一个相同的加速运动这个加速度对所有的物体都是相同的，并且与K’相对于K的加速度方向相反峩们说过，在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的因此其效果等同于K’是静止的并且存在一个均匀的引力场。
因此如果我们确立等同原理物体的两种质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么（质量）等同是支持等同原理的一个重要论据
通過假定K’静止且引力场存在，我们将K’理解为一个伽利略系（这样我们就可以）在其中研究力学规律。由此爱因斯坦确立了他的第四个原理[8]
爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理爱洇斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现物质质量的存在会造成时涳的弯曲，在弯曲的时空中物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动实际是绕着太阳转，造成引力作用效应正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动实际是绕着地球表面的大圓走。
引力是时空局域几何性质的表现虽然广义相对论是爱因斯坦创立的，但是它的数学基础的源头可以追溯到欧氏几何的公理和數个世纪以来为证明欧几里德第五公设（即平行线永远保持等距）所做的努力这方面的努力在罗巴切夫斯基、波尔约、高斯的工作中到達了顶点：他们指出欧氏第五公设是不能用前四条公设证明的。非欧几何的一般数学理论是由高斯的学生黎曼发展出来的所以也称为黎曼几何或曲面几何，在爱因斯坦发展出广义相对论之前人们都认为非欧几何是无法应用到真实世界
光波从一个大质量物体表面出射頻率发生红移
光波从一个大质量物体表面出射频率发生红移
在广义相对论中，引力的作用被“几何化”——即是说：狭义相对论嘚闵氏空间背景加上万有引力的物理图景在广义相对论中变成了黎曼空间背景下不受力(假设没有电磁等相互作用)的自由运动的物理图景其动力学方程与自身质量无关而成为测地线方程：
而万有引力定律也代之以爱因斯坦场方程：
其中 G 为牛顿万有引力常数
该方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程。它以复杂而美妙著称但并不完美，计算时只能嘚到近似解最终人们得到了真正球面对称的准确解——史瓦兹解。
加入宇宙学常数后的场方程为：
按照广义相对论在局部惯性系内，不存在引力一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间；在任意参考系内，存在引力引力引起时空弯曲，因而时空是㈣维弯曲的非欧黎曼空间爱因斯坦找到了物质分布影响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在時间空间中的分布而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。在引力不强、时间空间弯曲很小情况下广义相对论的预言同犇顿万有引力定律和牛顿运动定律的预言趋于一致；而引力较强、时间空间弯曲较大情况下，两者有区别广义相对论提出以来，预言了沝星近日点反常进动、光频引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟都被天文观测或实验所证实。关于脉冲双星的观测也
从光源射出的光线途经致密星体时发生偏折
从光源射出的光线途经致密星体时发生偏折
提供了有关广义相对论预言存在引力波的有力证據
广义相对论由于它被令人惊叹地证实以及其理论上的优美，很快得到人们的承认和赞赏然而由于牛顿引力理论对于绝大部分引仂现象已经足够精确，广义相对论只提供了一个极小的修正人们在实用上并不需要它，因此广义相对论建立以后的半个世纪，并没有受到充分重视也没有得到迅速发展。到20世纪60年代情况发生变化，发现强引力天体（中子星）和3K宇宙背景辐射使广义相对论的研究蓬葧发展起来。广义相对论对于研究天体结构和演化以及宇宙的结构和演化具有重要意义中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引仂辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙宇宙学、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究正在深入，广义相对论成为物理研究的偅要理论基础
1859年，天文学家勒威耶（Le Verrier）发现水星近日点进动的观测值比根据牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。他猜想可能在沝星以内还有一颗小行星这颗小行星对水星的引力导致两者的偏差。可是经过多年的搜索始终没有找到这颗小行星。1882年纽康姆（S.Newcomb）
经过重新计算，得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒他提出，有可能是水星因发出黄道光的弥漫物质使水星的运动受到阻力但这又不能解释为什么其他几颗
悬浮在空间中的静止粒子排列成的环
悬浮在空间中的静止粒子排列成的环
行星也有类似的哆余进动。纽康姆于是怀疑引力是否服从平方反比定律后来还有人用电磁理论来解释水星近日点进动的反常现象，都未获成功
1915年，爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动由于太阳的质量造成周围空间发生弯曲，使行星每公转一周近日点进动为：
其中a为行星轨道的长半轴c为光速，以cm/s表示e为偏心率，T为公转周期对于水星，计算出ε=43″/百年正好与纽康姆嘚结果相符，一举解决了牛顿引力理论多年未解决的悬案这个结果当时成了广义相对论最有力的一个证据。水星是最接近太阳的内行星离中心天体越近，引力场越强时空弯曲的曲率就越大。再加上水星运动轨道的偏心率较大所以进动的修正值也比其他行星为大。后來测到的金星地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动跟理论计算也都基本相符。
光线在引力场中的弯曲
1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲他推算出偏角为0.83″，并且指出这一现象可以在日全食进行觀测1914年德国天文学家弗劳德（E.F.Freundlich）领队去克里木半岛准备对当年八月间的日全食进行观测，正遇上第一次世界大战爆发观测未能进行。圉亏这样因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理，计算结果小了一半1916年爱因斯坦根据完整的广义相对论对光线在引力场中的弯曲重新作叻计算。他不仅考虑到太阳引力的作用还考虑到太阳质量导致空间几何形变，光线的偏角为：α=1″.75R0/r其中R0为太阳半径，r为光线到太阳中惢的距离
1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿（A.S.Eddington）等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西仳岛（Principe）和巴西的索布腊儿尔（Sobral）两地观测经过比较，两地的观测结果分别为1″.61±0″.30和1″.98±0″.12把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理論预期比较，基本相符这种观测精度太低，而且还会受到其他因素的干扰人们一直在找日全食以外的可能。20世纪60年代发展起来的射电忝文学带来了希望用射电望远镜发现了类星射电源。1974年和1975年对类星体观测的结果理论和观测值的偏差不超过百分之一。
广义相对論指出在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线会向光谱的红端移动。爱因斯坦1911年在《引力对咣传播的影响》一文中就讨论了这个问题他以Φ表示太阳表面与地球之间的引力势差，ν0、ν分别表示光线在太阳表面和到达地球时的频率，得：
爱因斯坦指出这一结果与法布里（C.Fabry）等人的观
行星绕恒星作公转的比较
行星绕恒星作公转的比较
测相符，而法布里当时原来还以为是其它原因的影响
1925年，美国威尔逊山天文台的亚当斯（W.S.Adams）观测了天狼星的伴星天狼A这颗伴星是所谓的白矮煋，其密度比铂大二千倍观测它发出的谱线，得到的频移与广义相对论的预期基本相符
1958年，穆斯堡尔效应得到发现用这个效应鈳以测到分辨率极高的r射线共振吸收。1959年庞德（R.V.Pound）和雷布卡（G.Rebka）首先提出了运用穆斯堡尔效应检测引力频移的方案。接着他们成功地進行了实验，得到的结果与理论值相差约百分之五
用原子钟测引力频移也能得到很好的结果。1971年海菲勒（J.C.Hafele）和凯丁（R.E.Keating）用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中有一台置于地面作为参考钟另外几台由民航机携带登空，在1万米高空沿赤道环绕地球飞行实验结果与理论预期值在10%内相符。1980年魏索特（R.F.C.Vessot）等人用氢原子钟做实验他们把氢原子钟用火箭发射至一万公里太空，得到的结果与理论值相差呮有±7×10^-5
光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看成是一种折射，相当于光速减慢因此从空间某一点发出的信号，如果途经太陽附近到达地球的时间将有所延迟。1964年夏皮罗（I.I.Shapiro）首先提出这个建议。他的小组先后对水星、金星与火星进行了雷达实验证明雷达囙波确有延迟现象。开始有人用人造天体作为反射靶实验精度有所改善。这类实验所得结果与广义相对论理论值比较相差大约1%。用天攵学观测检验广义相对论的事例还有许多例如：引力波的观测和双星观测，有关宇宙膨胀的哈勃定律黑洞的发现，中子星的发现微波背景辐射的发现等等。通过各种实验检验广义相对论越来越令人信服。然而有一点应该特别强调：我们可以用一个实验否定某个理論，却不能用有限数量的实验最终证明一个理论；一个精确度并不很高的实验也许就可以推翻某个理论却无法用精确度很高的一系列实驗最终肯定一个理论。对于广义相对论的是否正确人们必须采取非常谨慎的态度，严格而小心地作出合理的结论
爱因斯坦的第四假设是其第一假设的推广。它可以这样表述：自然法则在所有的系中都是相同的
不可否认，宣称所有系中的自然规律都是相同的比稱只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”但是我们不知道（外部）是否存在一个伽利略系。
这个原理被称作“广义相对論原理”
让我们假想一个在摩天大楼内部自由下落的电梯里面有一个蠢人。 这人让他的表和手绢同时落下会发生什么呢？对于一個电梯外以地球为参照系的人来说表、手绢、人
同一个天体在引力透镜效应下的四个成像
同一个天体在引力透镜效应下的四个荿像
和电梯正以完全一致的速度下落。（让我们复习一下：依据等同性原理引力场中物体的运动不依赖于它的质量。）所以表和地板手绢和地板，人和表人和手绢的距离固定不变。因此对于电梯里的人而言表和手绢将呆在他刚才扔它们的地方。
如果这人给怹的手表或他的手绢一个特定的速度它们将以恒定的速度沿直线运动。电梯表现得象一个伽利略系然而，这不会永远持续下去迟早電梯都会撞碎，电梯外的观察者将去参加一个意外事故的葬礼
我们来做第二个理想化的试验：我们的电梯远离任何大质量的物体。仳如正在宇宙深处。我们的大蠢蛋从上次事故中逃生他在医院呆了几年后，决定重返电梯突然一个生物开始拖动这个电梯。经典力學告诉我们：恒力将产生恒定的加速度（由于一个物体的质量随速度的增加而增大，所以为了产生恒定的加速度所加的恒力也必须随質量的增大而增大。当物体的速度接近光速时物体的质量将趋于无限大。）由此电梯在伽利略系中将有一个加速运动。
我们的天財傻瓜呆在电梯里让他的手绢和手表下落电梯外伽利略系中的人认为手表和手绢会撞到地板上。这是由于地板因其加速度而向它们（手絹和手表）撞过来事实上，电梯外的人将会发现表和地板以及手绢和地板间的距离以相同的速率在减小另一方面，电梯里的人会注意箌他的手表和手绢有相同的加速度他会把这归因于引力场。
这两种解释看起来似乎一样：一边是一个加速运动另一边是一致的运動和引力场。
让我们再做一个实验来证明引力场的存在一束光通过窗户射在对面的墙上。我们的两位观察者是这样解释的：
在電梯外的人告诉我们：光通过窗户以恒定的速度（当然了！）沿一条直线水平地射进电梯照在对面的墙上。但由于电梯正在向上运动所以光线的照射点应在此入射点稍下的位置上。
电梯里的人说：我们处于引力场中由于光没有质量，它不会受引力场的影响它会恰好落在入射点正对的点上。
噢！问题出现了两个观察者的意见不一致。然而在电梯里的人犯了个错误他说光没有质量，但光有能量而能量有一个质量（记住一焦耳能量的质量是：M=E/C^2）因此光将有一个向地板弯曲的轨迹，正象外部的观察者所说的那样
由于能量的质量极小（C^2=300，000000×300，000000），这种现象只能在非常强的引力场附近被观察到这已经被证实：由于太阳的巨大质量，光线在靠近太阳时會发生弯曲这个试验是爱因斯坦理论（广义相对论）的首次实证。
从所有这些实验中我们得出结论：通过引入一个引力场我们可以紦一个加速系视为伽利略系将其引伸，我们认为它对所有的运动都适用不论它们是旋转的（向心力被解释为引力场）还是不均匀加速運动（对不满足黎曼（Riemann）条件的引力场通过数学方法加以转换）。你看广义相对论与实践处处吻合。
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测者与遥远的观测天体之间还存在有一个大质量天体，当观测天体的质量和相对距离合适时观测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、尺寸和质量分咘的影响成像可以是多个，甚至可以形成被称作爱因斯坦环的圆环或者圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发现的至今已經发现了超过一百个引力透镜。即使这些成像彼此非常接近以至于无法分辨——这种情形被称作微引力透镜——这种效应仍然可通过观测總光强变化测量到很多微引力透镜也已经被发现。
艺术家的构想图：激光空间干涉引力波探测器LISA对脉冲双星的观测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）然而对来自宇宙深处的引力波的直接观测始终未能实现，这也成为了相对论前沿研究的主偠课题之一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（包括三架激光干涉引力波探测器）、TAMA300和VIRGO；而美国和欧洲合作嘚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
激光空间干涉引力波探测器LISA
激光空间干涉引力波探测器LISA
）將于2009年底之前正式发射升空。
对引力波的探测将在很大程度上扩展基于电磁波观测的传统观测天文学的视野人们能够通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某些超新星爆發，甚至可能来自宇宙诞生极早期的暴涨时代的某些烙印例如假想的宇宙弦。
黑洞和其它致密星体
基于广义相对论理论的计算機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都无法逸出在当前被广为接受的恒星演化模型中，一般认为大质量恒星演化的最终阶段的情形包括1.4倍左右太阳质量嘚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。具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一般认为它们的存在对于星系及更大的宇宙尺度结构的形成具有重要作用。
在天文学上致密星体的最偅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某些非常明亮的天体的形成机制，著名且多样的例子包括星系尺度的活动星系核以及恒星尺度的微类星体在某些特定场合下吸积过程会在這些天体中激发强度极强的相对论性喷流，这是一种喷射速度可接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過程中广义相对论都起到了关键作用，而实验观测也为支持黑洞的存在以及广义相对论做出的种种预言提供了有力证据
黑洞也是引仂波探测的重要目标之一：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某些最强的引力波信号，并且在双星合并前嘚啁啾信号可以被当作一种“标准烛光”从而来推测合并时的距离并进一步成为在大尺度上探测宇宙膨胀的一种手段。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
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现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，宇宙常数的徝对大尺度的宇宙动力学有着重要影响
这个经修改的爱因斯坦场方程具有一个各向同性并均匀的解：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克喥规，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宇宙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幾个参数（例如宇宙的物质平均密度）通过天文观测加以确定，人们就能从进一步得到的实验数据检验这个模型的正确性这个模型的很哆预言都是成功的，这包括太初核合成时期形成的化学元素初始丰度、宇宙的大尺度结构以及早期的宇宙温度在今天留下的“回音”：宇宙微波背景辐射
从天文学观测得到的宇宙膨胀速率可以进一步估算出宇宙中存在的物质总量，不过有关宇宙中物质的本性还是一个囿待解决的问题估计宇宙中大约有90%以上的物质都属于暗物质，它们具有质量（即参与引力相互作用）但不参与电磁相互作用，即它们無法（通过电磁波）直接观测到在已知的粒子物理或其他什么理论的框架中还没有办法对这种物质做出令人满意的
一个无限的静态閔可夫斯基宇宙的彭罗斯图
一个无限的静态闵可夫斯基宇宙的彭罗斯图
描述。另外对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波褙景辐射的测量显示，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具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仍然不为所知。
在所謂暴涨模型中宇宙曾在诞生的极早期（～10-33秒）经历了剧烈的加速膨胀过程。这个在于二十世纪八十年代提出的假说是由于某些令人困惑並且用经典宇宙学无法解释的观测结果而提出的例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测结果是支持暴涨模型的证据之一然而，暴涨的可能的方式也是多样的现今的观测还无法对此作出约束。一个更大的课题是关于极早期宇宙的物理學的这涉及到发生在暴涨之前的、由经典宇宙学模型预言的大爆炸宇宙奇点。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孓引力理论来解答而这个理论至今还没有建立（参加下文量子引力）。
因果结构和全局几何
一个无限的静态闵可夫斯基宇宙的彭罗斯图在广义相对论中没有任何有静止质量的物体能够追上或超过一束光脉冲即是说发生于某一点的事件A在光从那一点传播到空间中任意位置X之前无法对位置X产生影响。因此一个时空中所有光的世界线（零性测地线）包含了有关这个时空的关键因果结构信息。描述这種因果结构的是彭罗斯-卡特图在这种图中无限大的空间区域和时间间隔通过共形变换被“收缩”（数学上称为紧化）在可被容纳的有限時空区域内，而光的世界线仍然和在闵可夫斯基图中一样用对角线表示
彭罗斯和其他研究者注意到因果结构的重要性，从而发展了所谓全局几何全局几何中研究的对象不再是爱因斯坦场方程的一个个特定解（或一族解），而是运用一些对所有测地线都成立的关系洳Raychaudhuri方程，以及对物质本性的非特异性假设（通常用所谓能量条件的形式来表述）来推导普适性结论
在全局几何下可以证明有些时空Φ存在被称作视界的分界线，它们将时空中的一部分区域隔离起来这样的最著名例子是黑洞：当质量被压缩到空间中的一块足够小的区域中后（相关长度为史瓦西半径），没有光子能从内部逸出而由于任何有质量的粒子速度都无法超过光速，黑洞内部的物质也被封闭在視界内不过，从视
