爱因斯坦在建立狭义相对论时提出了两个基本假设，其中的一个是相对性原理，说的是物理定律在所有惯性系中具有相同的表示形式。后来他想到，为什么惯性系就特殊，就比非惯性系优越呢？于是他从分析非惯性系入手，在1915年建立了研究引力场与时空关系的广义相对论。

爱因斯坦提出两个基本假设作为广义相对论的基础，一个是等效原理，另一个是广义相对性原理。

设想一个密封的箱子相对于地面做自由落体运动，箱子内部的人也同样做自由落体运动。如果不告诉这个人箱子外面的情况，他可能会由于完全失重而认为自己和箱子一起在外太空漂浮。这个例子表明，在引力场中自由下落的箱子参考系和完全的惯性系没有区别。相反，如果这个人真正在外太空，但乘坐一个以重力加速度加速前进的飞船，那么他会感到飞船地板对他有支持力而认为与在地面上没有什么不同，即飞船参考系（非惯性系）与引力场中的静止参考系等价。两个例子简单归结为一点，就是引力与加速度等效，这就是等效原理。爱因斯坦坚信自然界的内在和谐，不允许惯性系和非惯性系的不平等存在，把相对性原理推广到非惯性系，认为物理定律在所有参考系中都具有相同的数学表达形式，这叫做广义相对性原理。

广义相对论的一个基本观点就是引力引起空间弯曲。弯曲的三维空间不容易理解，我们以弯曲的二维空间为例说明。假设一个人不知道大地是球形的，而认为是平的，他想一直向东走，如果能坚持到底的话会发现又回到了原来的位置，于是他很困惑，我们则认为这很简单，他走的是地球的纬线，是一个圆周。这说明，在弯曲的二维空间里，所谓的“直线”是平坦二维空间中的曲线，本例中，弯曲的二维空间是地球表面，平坦的二维空间是纬线所在平面，如图1所示。同样，在弯曲的三维空间里，“直线”是平坦三维空间中的曲线。太阳系中行星运动的曲线轨迹，如果看成是平坦三维空间的曲线的话，那么也可以看成是弯曲三维空间的“直线”，换句话说，太阳的引力造成了三维空间的弯曲，如图2所示。宇宙中物质聚集的区域，万有引力大，空间弯曲也大。在广义相对论预言的含有大量物质的黑洞附近，空间弯

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广义相对论指出，在引力场附近，不仅空间发生弯曲，时间也要发生弯曲，即靠近太阳的钟比远离太阳的钟要走得慢，这种效应叫引力的时间延缓。时间、空间的弯曲是紧密联系，不可分割的。这种弯曲的时空不适合用我们熟知的欧几里得几何描述，爱因斯坦在格罗斯曼(M. Grossman)的帮助下用黎曼几何解决了问题。1915年爱因斯坦建立了引力场方程，标志着广义相对论理论体系的完成，距离1905年狭义相对论的建立整整10年。

在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验检验方案，后来都一一得以实现。这三项实验一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。

所谓水星近日点的进动（图3），指的是水星椭圆轨道的长轴每世纪转动1°33'21''，计入其他行星对它的影响，用牛顿定律计算，还差43''得不到解释。考虑到水星距离太阳很近，太阳引力造成的空间弯曲较强，用广义相对论计算，就可以对其做出解释。广义相对论还预言，远处光线经过大质量星体表面时，由于引力会发生偏折，对太阳，偏角为1.75''，通过日食观测和射电望远镜观测，得到的结果与预测值符合得很好。引力的时间延缓效应可以由光谱线的引力红移现象验证，引力红移指大质量天体内原子能级跃迁发出的光线频率比远离天体同样跃迁发出的光线的频率要低，现代物理实验已观测到太阳甚至地球引力造成的微小红移，与广义相对论的预言符合很好。

广义相对论的另外一个重要预言是引力波，像加速运动的电荷辐射电磁波一样，加速运动的质量也辐射引力波，因此损失能量和质量。对脉冲双星的观测数据证实了这个预言，是迄今为止对广义相对论最可靠的实验验证。

广义相对论是关于时空与引力关系的理论，它指出时空不能脱离物质而独立存在，时空随物质分布和运动速度的变化而变化。现在广义相对论的主要应用是在宇观领域，即宇宙学和天体物理学，黑洞即是广义相对论的预言之一。从广义相对论出发建立起来的引力理论是目前所有有关理论中最好的一种。