物理学史上最伟大的理论发展之一就是爱因斯坦的相对论，它改变了人类对自然现象的认识。爱因斯坦的相对论包含两个方面：狭义相对论和广义相对论。但是狭义相对论有其根本性缺陷，为了理论的逻辑统一，爱因斯坦提出了广义相对论。在20世纪初，大量的实验和理论研究，使狭义相对论的产生已经具备了充分的条件和必然性。爱因斯坦曾说“毫无疑问，要是我们从回顾中去看狭义相对论的发展的话，那么它在1905年已经到了发现的成熟阶段。洛伦兹已经注意到，为了分析麦克斯韦分成，那些后来以他的名字而闻名的变换是重要的；庞加莱在有关方面甚至更深入研究了一步”。狭义相对论的提出
这里简要回顾一下狭义相对论的提出过程、理论基础、成就。
爱因斯坦在晚年写了一部学术回忆录《自述》，其中写到了它的“追光悖论”：“这个悖论我在16岁时就无意中想到了：如果我以速度c（真空中光速）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线，就好像一个在空间震荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据实验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉的看来就很清楚，从这一个观察者的观点来判断，一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的的那样按照太阳的一些定律进行。因为，第一个观察者怎么会知道或者能够判明他所在的均匀的快速运动状态中呢？”
天才的思维就是也一般人不一样，这个想法一件包含了狭义相对论原理的萌芽。
爱因斯坦与相对论狭义相对论有两条基本原理：
1. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动这的坐标系中的哪个并无关系。
2. 任何光线在精致的坐标系中都是以确定的速度C运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的
由此基本原理，得到的狭义相对论引出了“长度缩短”和“时钟延缓”效应。爱因斯坦分别在《论动体的电动力学》（1905年6月）、《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》（1905年9月）、《关于相对论原理和由此得出结论》（1907年）三篇论文中对狭义相对论做了完整的描述。广义相对论的提出：
狭义相对论成立的物理基础是：运动的坐标系都是惯性系（所谓惯性系，就是运动坐标系都相对于静止坐标系做匀速直线运动）。
1907年，在狭义相对论还没有被绝大多数人理解的时候，爱因斯坦已经发现了狭义相对论的根本性缺陷。这个缺陷其实由E.马赫最先提出：为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊，这是怎么一回事？
狭义相对论的另外一个严重困难来自于引力，也就是，狭义相对论与牛顿的引力公式和引力势不相容。通过狭义相对论得到的结论是：物体的质量是它所含能量的量度，那么物体的惯性质量将随着其能量而改变，也就是说物体下落的加速度除了竖直方向加速度，必须还有水平加速度。这与实验事实不符的。
当爱因斯坦认识到在狭义相对论理论框架下无法解决引力问题时，就决心突破狭义相对论的局限，找到解决引力问题的新途径。由此提出了广义相对论满足的两条基本原理：等效原理和逛广义相对性原理（也叫广义协变原理）。
1922年爱因斯坦在日本京都大学的报告《我是如何创立相对论》中提到他的发现历程：“...那天我坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现出一个念头：如果一个人正在自由下落，他绝不会感到他有重量。我吃了一惊，这个简单的想象给我的印象太深了。它使我找到了新的引力理论”
这个假想实验说明了在同一加速度下落过程中，是无法判断引力场效应的。由此爱因斯坦得出第一个基本原理“引力场通参照系相当加速度在物理上是完全等效的”，即著名的“等效原理”。
但是，要将相对论推广到加速系，还需要类似狭义相对论那样的协变原理，就是将一个参照系中的物理定律转变成另外一个参照系中的方式。对于这个问题，爱因斯坦到1916年才在《广义相对论的基础》中明确提出“物理学的定律必须具有这样的性质，他们对于无论哪种方式运动着的参照系都是成立的。”
爱因斯坦一直坚持物理方程一定在任意参照系--不论匀速运动、加速运动还是静止坐标系中--都应该是相同的，广义相对论才能建立起来。广义相对论的验证
1. 引力红移现象
在1907年，爱因斯坦提出等效性原理，还没明确提出广义协变性假设时，就注意到引力场对时钟速率的影响，并预测引力红移的预言。当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，也就是红移。1960年，哈佛大学的Robert Pound和Glen Rebka才最终成功地通过测量验证了这个关键的预言。
2. 水星进动问题
天文观测表明，水星近日点对于空间固定方位不断缓慢变化，这种进动大约每100年为5600秒的角度。但是用牛顿引力理论计算始终比测量值大40秒角度。爱因斯坦广义相对论建立的引力场方程，建立了水星进动公式，理论上完全解决了这个误差，与测量值完美匹配。
水星进动示意图
3. 光线在引力场中偏折
1911年爱因斯坦根据等效性原理预言，光线经过太阳边缘要片则0.83秒，并建议天文学家在日全食时进行观测。1919年5月29日在非洲两个不同地点的日全食测量，验证了爱因斯坦的预言。
光线经过太阳发生偏折
4. 引力波预言
爱因斯坦认为引力波是从物质发出的，并以光速传播。许多做加速运动的物体都可以发射引力波，但是引力辐射太弱，近代实验仪器无法捕捉。理想的波源是宇宙中大质量天体的运行，比如大质量黑洞等。
随着技术进步，人类至今探测到3次引力波现象，分别是 LIGO 2015年9月14日探测到首个引力波信号；2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号；2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
引力波
至此，广义相对论在天体物理和宇宙学中成功应用日益引人注目，还是目前科研领域的研究前言。
责任编辑：
