《广义相对论与宇宙学》学习心得
凝聚态物理 李紫源
12110336
导师：何振辉教授 我的研究方向是宇宙射线。以国家公派留学生的身份，于13年派往瑞士，在世界最大的粒子物理实验室欧洲核子研究中心(CERN)进行物理研究。所在团队是诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授带领的阿尔法磁谱仪太空实验团队(AMS02)。主要工作包括大数据处理以及分析，探测器重建，蒙特卡洛建模，粒子鉴别，物理理论解释等。因此，广义相对论与宇宙学是我们研究的基础知识。有幸在本科期间修了张宏浩老师的“广义相对论”以及“高能物理与粒子物理”这两门课，为我日后的科研工作打下了坚实的基础。在这里我向张宏浩老师的培养表示感谢。
我接触广义相对论要追溯到高中时代了，记得当初，老师讲到经典力学、能量方程、首次提出了相对论的概念，在此之前，相对论对于我来说是一个遥不可及的存在，只知道他是爱因斯坦提出的一个伟大理论，之后，我特意阅读了广义相对论的文章，并有所得。
广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了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包含在狭义相对论的框架中，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而这种时空曲率与处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。
广义相对论有许许多多的研究分支，其中包括引力时间膨胀和引力红移、光线偏折和引力时间延迟、引力波、轨道效应、近星点的进动、轨道衰减、测地线效应和参考系拖拽、引力透镜、在天文学上，广义相对论亦有其突出的作用，其中，黑洞是我最感兴趣的话题。
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。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重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这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过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。
黑洞也是引力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，并且在双星合并前的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。
而近期被“激光干涉引力波天文台”项目（LIGO ）探测到的引力波信号，更是填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实。
要理解引力波，其实也不难。用一句话来概括广义相对论，那就是：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。当物质的分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速传播开去，就好像在平静的湖面上丢下一粒小石子，湖面就会有一圈波浪向外荡去，时空也会将涟漪向外传开，这便是引力波了。
关于引力波的强度，爱因斯坦也很快计算了出来——非常微弱。假设迎面走来一串引力波，你会变高变瘦，接下来变矮变胖，再变高变瘦⋯⋯ 当然，想靠引力波改变体型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高拉高（然后压扁）那么一点点——大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。
然而，接下来爱因斯坦却犯了难。在引入线性、低速等近似之后，得到的这么一个叫做引力波的东西，到底是数学上的一个游戏，还是一种物理的实际？要知道，通过坐标变换，似乎是可以消除引力波的呀！
回首100年前，那是很少有人能真正理解广义相对论的时代，甚至爱因斯坦本人在一些问题上也犯下不少错误。最著名的例子就是宇宙学常数Λ了。当初为了维持静态宇宙而人为引入的参数，在哈勃用观测事实向世人证明宇宙的膨胀后，被爱因斯坦不无遗憾地承认为其“一生最大的错误”。
在接下来的几年中，爱因斯坦几次修改对引力波的判断。广义相对论的开山鼻祖尚且摸不着头脑，别的科学家更是莫衷一是。引力波强度微弱暂且不论，在它是否存在都有争议的情况下，任何严肃的探测引力波的努力都很难让人信服。
直到 1955 年费曼在一个会议上提出了著名的“粘珠”思想实验后，这一情况才基本尘埃落定。费曼的论证是这样的：想象一个珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移动，垂直于柱子方向如果有引力波经过，将会产生相对于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下会相对柱子运动，如果有摩擦就会产热，所以引力波是物理实际的。一干物理学家要求费曼说人话，于是有一个叫做赫尔曼·邦迪的青年帮费曼总结了一下：引力波在理论上会导致物体摩擦生热，热就是能，它的源头只能是引力波，所以引力波肯定有能量。如果引力波仅仅是一个数学游戏，它不可能无中生有地产生能量，所以它是有物理对应的。于是确定了引力波是真实存在的物理效应，从而开启了探测引力波的漫漫长路。
在引力和宇宙学的研究中，广义相对论已经成为了一个高度成功的模型，至今为止已经通过了每一次意义明确的观测和实验的检验。然而即便如此，仍然有证据显示这个理论并不是那么完善的：对量子引力的寻求以及时空奇点的现实性问题依然有待解决；实验观测得到的支持暗物质和暗能量存在的数据结果也在暗暗呼唤着一种新物理学的建立；而从先驱者号观测到的反常效应也许可以用已知的理论来解释，也许则真的是一种新物理学来临的预告。不过，广义相对论之中仍然充满了值得探索的可能性：数学相对论学家正在寻求理解奇点的本性，以及爱因斯坦场方程的基本属性；不断更新的计算机正在进行黑洞合并等更多的数值模拟；而第一次直接观测到引力波的竞赛也正在前进中，人类希望借此能够在比至今能达到的强得多的引力场中创造更多检验这个理论的正确性的机会。在
爱因斯坦发表他的理论一百年之后，广义相对论依然是一个高度活跃的研究领域。
广义相对论，一个伟大的学论，虽然已提出多年，但是还如一个宝藏，源源不断的为人们提供思想!
《广义相对论与宇宙学》学习心得
凝聚态物理 李紫源
12110336
导师：何振辉教授 我的研究方向是宇宙射线。以国家公派留学生的身份，于13年派往瑞士，在世界最大的粒子物理实验室欧洲核子研究中心(CERN)进行物理研究。所在团队是诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授带领的阿尔法磁谱仪太空实验团队(AMS02)。主要工作包括大数据处理以及分析，探测器重建，蒙特卡洛建模，粒子鉴别，物理理论解释等。因此，广义相对论与宇宙学是我们研究的基础知识。有幸在本科期间修了张宏浩老师的“广义相对论”以及“高能物理与粒子物理”这两门课，为我日后的科研工作打下了坚实的基础。在这里我向张宏浩老师的培养表示感谢。
我接触广义相对论要追溯到高中时代了，记得当初，老师讲到经典力学、能量方程、首次提出了相对论的概念，在此之前，相对论对于我来说是一个遥不可及的存在，只知道他是爱因斯坦提出的一个伟大理论，之后，我特意阅读了广义相对论的文章，并有所得。
广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了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包含在狭义相对论的框架中，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而这种时空曲率与处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。
广义相对论有许许多多的研究分支，其中包括引力时间膨胀和引力红移、光线偏折和引力时间延迟、引力波、轨道效应、近星点的进动、轨道衰减、测地线效应和参考系拖拽、引力透镜、在天文学上，广义相对论亦有其突出的作用，其中，黑洞是我最感兴趣的话题。
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。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重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这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过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。
黑洞也是引力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，并且在双星合并前的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。
而近期被“激光干涉引力波天文台”项目（LIGO ）探测到的引力波信号，更是填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实。
要理解引力波，其实也不难。用一句话来概括广义相对论，那就是：时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。当物质的分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速传播开去，就好像在平静的湖面上丢下一粒小石子，湖面就会有一圈波浪向外荡去，时空也会将涟漪向外传开，这便是引力波了。
关于引力波的强度，爱因斯坦也很快计算了出来——非常微弱。假设迎面走来一串引力波，你会变高变瘦，接下来变矮变胖，再变高变瘦⋯⋯ 当然，想靠引力波改变体型是不可能了，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高拉高（然后压扁）那么一点点——大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。
然而，接下来爱因斯坦却犯了难。在引入线性、低速等近似之后，得到的这么一个叫做引力波的东西，到底是数学上的一个游戏，还是一种物理的实际？要知道，通过坐标变换，似乎是可以消除引力波的呀！
回首100年前，那是很少有人能真正理解广义相对论的时代，甚至爱因斯坦本人在一些问题上也犯下不少错误。最著名的例子就是宇宙学常数Λ了。当初为了维持静态宇宙而人为引入的参数，在哈勃用观测事实向世人证明宇宙的膨胀后，被爱因斯坦不无遗憾地承认为其“一生最大的错误”。
在接下来的几年中，爱因斯坦几次修改对引力波的判断。广义相对论的开山鼻祖尚且摸不着头脑，别的科学家更是莫衷一是。引力波强度微弱暂且不论，在它是否存在都有争议的情况下，任何严肃的探测引力波的努力都很难让人信服。
直到 1955 年费曼在一个会议上提出了著名的“粘珠”思想实验后，这一情况才基本尘埃落定。费曼的论证是这样的：想象一个珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移动，垂直于柱子方向如果有引力波经过，将会产生相对于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下会相对柱子运动，如果有摩擦就会产热，所以引力波是物理实际的。一干物理学家要求费曼说人话，于是有一个叫做赫尔曼·邦迪的青年帮费曼总结了一下：引力波在理论上会导致物体摩擦生热，热就是能，它的源头只能是引力波，所以引力波肯定有能量。如果引力波仅仅是一个数学游戏，它不可能无中生有地产生能量，所以它是有物理对应的。于是确定了引力波是真实存在的物理效应，从而开启了探测引力波的漫漫长路。
在引力和宇宙学的研究中，广义相对论已经成为了一个高度成功的模型，至今为止已经通过了每一次意义明确的观测和实验的检验。然而即便如此，仍然有证据显示这个理论并不是那么完善的：对量子引力的寻求以及时空奇点的现实性问题依然有待解决；实验观测得到的支持暗物质和暗能量存在的数据结果也在暗暗呼唤着一种新物理学的建立；而从先驱者号观测到的反常效应也许可以用已知的理论来解释，也许则真的是一种新物理学来临的预告。不过，广义相对论之中仍然充满了值得探索的可能性：数学相对论学家正在寻求理解奇点的本性，以及爱因斯坦场方程的基本属性；不断更新的计算机正在进行黑洞合并等更多的数值模拟；而第一次直接观测到引力波的竞赛也正在前进中，人类希望借此能够在比至今能达到的强得多的引力场中创造更多检验这个理论的正确性的机会。在
爱因斯坦发表他的理论一百年之后，广义相对论依然是一个高度活跃的研究领域。
广义相对论，一个伟大的学论，虽然已提出多年，但是还如一个宝藏，源源不断的为人们提供思想!