广义相对论基础

《广义相对论基础》是一本简明扼要的广义相对论入门教材，在内容选择上，突出物理图像、物理内容和物理思想，同时在数学上自给自足。注意把广义相对论基础与科研前沿衔接起来，希望能让初学者尽快进入科研的大门，然后再“干中学”，边研究，边学习，在实践中逐步提高。叙述上兼顾了科学性和可读性，作者尽可能阐释相对论的关键和难点，帮助读者克服学习中的困难，掌握相对论的精髓。书中还介绍了广义相对论研究的若干前沿问题，注意把广义相对论展示为一个开放的科学领域，让读者看到它发展的曲折经历，以及当前尚未解决的问题，特别是其中的基本问题。内中一些带有根本性的问题，也许会给读者带来愉快的、有益的思考。此外，书中还评述了相对论的建立和发展过程中的一些重要突破，增加了学习的趣味性，并使读者能从中体会科学研究的方法，提高科研创新的能力。

《广义相对论基础》可用于研究生和本科生一学期的教学，也可用于具有大学理工科一、二年级数理水平的读者自学。目的是使他们能在半年内掌握广义相对论的数学、物理基础，基本内容和具体的计算方法，并进入科学研究的前沿。

序言

爱因斯坦1905年创建了狭义相对论，1915年又在狭义相对论的基础上创建了广义相对论。广义相对论是一个关于时间、空间和引力的理论。它把万有引力解释为时空的弯曲，认为万有引力不同于其他力，是一种几何效应。相对论专家惠勒把广义相对论形象地描述为“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。

这一人类思想史上的创新杰作，是爱因斯坦一生最引以为自豪的成就。他曾说道：“狭义相对论如果我不发现，5年之内就会有人发现，广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现。”

广义相对论诞生至今已近100年了。在过去的100年中，与相对论同时降生的量子论取得了长足的发展，相形之下，广义相对论却发展缓慢。除去数学上的困难和物理内容不好理解之外，最重要的原因是缺少检验引力理论的实验。有一段时间，相对论的研究几乎停步不前。著名量子论专家费曼在参加1962年于华沙举行的广义相对论研讨会时，忍不住在给妻子的信中写下了如下的感想：“我没有从会上获得任何东西。我什么也没有学到。因为没有实验，这是一个没有活力的领域，几乎没有一个顶尖的人物来做工作。结果是一群笨蛋（126个）到这儿来了，这对我的血压很不好。以后记着提醒我再不要参加任何有关引力的会议了。”

不过情况很快有了改观。类星体、中子星和微波背景辐射的发现，促进了黑洞物理、宇宙学和引力波的研究。整体微分几何的引进又大大推动了时空理论的发展，取得了诸如“时空因果结构”、“奇性定理”、“面积定理”等一系列重要成果，并最终导致了黑洞热力学的创建。此外，超弦和引力场量子化的探讨也进一步增强了广义相对论在学术领域的地位。

作者曾长期从事广义相对论的研究和教学，常年在北京师范大学为物理系和天文系的研究生与本科生讲授广义相对论，近年来又在清华大学开设此课程，在长期的教学过程中，逐渐形成了自己的风格与特点。我们的课程强调物理基础和物理概念，突出物理思想和物理图像，力求用较短的时间把初学者领进广义相对论的大门，并把他们引向科研的前沿。值此广义相对论受到越来越多重视的时期，我们感到有必要把自己常年使用的讲义编写成正式的教材，奉献给读者。

我们长期追随刘辽先生学习和研究广义相对论，他在被错划成“右派”的困难日子里自强不息，终于在北京师范大学建立起国内一个重要的相对论研究基地。他倾毕生精力编写的《广义相对论》一书，内容丰富，包括对广义相对论理论基础的深刻分析和引力与相对论天体物理的前沿内容，在国内相对论界产生了很大影响。我们正是在他的引导下跨进了相对论研究的大门。