大學(xué)物理：chap4-6廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介

1、愛(ài)因斯坦為什么要?jiǎng)?chuàng)立廣義相對(duì)論？,1.狹義相對(duì)論只適用于慣性系，即慣性系比非慣性系“優(yōu)越”，所反映的自然規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性不完善。,2.狹義相對(duì)論的洛侖茲變換不能保持引力形式不變，即狹義相對(duì)論不能包容萬(wàn)有引力定律。,4.6 廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介,一.廣義相對(duì)論基本原理,如何實(shí)現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)？,意義： 實(shí)現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)，完善對(duì)稱(chēng)性，是構(gòu)建理論的出發(fā)點(diǎn)。,其中 m 反映物體產(chǎn)生和接受引力的性質(zhì)：引力質(zhì)量,地球以引力吸引石塊而對(duì)其慣性質(zhì)量毫無(wú)所知，地球的“召喚”力與引力質(zhì)量有關(guān)，而石塊“回答”的運(yùn)動(dòng)則與慣性質(zhì)量有關(guān)。 愛(ài)因斯坦,其中 反映物體慣性的大小：慣性質(zhì)量,2.等效原理,1）實(shí)驗(yàn)事實(shí)：

2、慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在引力場(chǎng)中同一點(diǎn)，一切物體有相同的 加速度,適當(dāng)選取單位制：,2)等效原理揭示引力場(chǎng)與慣性力場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系,愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)之二,局部慣性系：在小體積內(nèi)，引力場(chǎng)可視為均勻，從而可通過(guò)參考系的加速運(yùn)動(dòng)消除其中各點(diǎn)的引力影響。這種在局部空間范圍消去了引力場(chǎng)的參考系稱(chēng)為局部慣性系。例如在引力場(chǎng)中自由下落的升降機(jī)。,在一個(gè)局部慣性系中，引力的效應(yīng)消失了，其中所有物理定律和在遠(yuǎn)離任何引力物體的真正的慣性系中一樣。反過(guò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)在太空中加速的參考系中將會(huì)出現(xiàn)表觀的引力，在這樣的參考系中，物理定律就和該參考系靜止在一個(gè)引力物體附近一樣。,比較,等效原理：對(duì)于一切物理過(guò)程，引力

3、場(chǎng)與勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系局部等效，即引力與慣性力局部等效。,二.廣義相對(duì)論時(shí)空觀,1.非歐幾何,判斷空間是否彎曲的方法：測(cè)圓周長(zhǎng)與直徑的比,凹面,彎曲空間是空間的整體性質(zhì)，彎曲空間的局部小范圍 平直空間 小范圍平直空間 大范圍不一定平直，只是彎曲空間的局部效果,2.非慣性系中的彎曲時(shí)空,由洛侖茲變換：,3.引力場(chǎng)的幾何化用時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)描述引力,引力場(chǎng)強(qiáng)越大處的鐘越慢、豎直尺越短。,引力場(chǎng)中不同位置處的時(shí)空標(biāo)度不同 時(shí)空彎曲。 引力場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)、引力勢(shì)越低處的鐘越慢、徑向尺越短，空間曲率越大。 （只有在強(qiáng)引力場(chǎng)中才明顯）,廣義相對(duì)論時(shí)空觀：,時(shí)空是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)， 只有在無(wú)引

4、力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空才是平直的（歐幾里 德空間），有引力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空是彎曲的（黎曼 空間），引力場(chǎng)強(qiáng)度分布與空間曲率分布一一對(duì)應(yīng)。 當(dāng)用彎曲空間取代引力場(chǎng)后，受引力場(chǎng)作用的質(zhì)點(diǎn) 就成了自由質(zhì)點(diǎn)，沿彎曲空間中的短程線運(yùn)動(dòng)。,自從廣義相對(duì)論出現(xiàn)以來(lái)，不能再把空間時(shí)間看做舞臺(tái)，把物質(zhì)看做演員；兩者的性質(zhì)如此密切相關(guān)，人們幾乎可以把它們稱(chēng)作同一種事物的不同名稱(chēng)。 薛定諤（奧地利.18871961 ）,四、廣義相對(duì)論的可觀測(cè)效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在加速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)內(nèi)的觀察者看到，光線相對(duì)于升降機(jī)走彎曲的路線。由等效原理可知，加速運(yùn)動(dòng)的參考系與引力場(chǎng)等效，因此，可以得出：光線在引力場(chǎng)中要發(fā)生偏轉(zhuǎn)。,日全食時(shí)觀測(cè)恒

5、星視位置與恒星實(shí)際位置比較，可測(cè)得光線偏折角。,1998年3月英國(guó)用“默林”射電望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到完整的引力透鏡成象“愛(ài)因斯坦環(huán)”,2.光的引力頻移(引力使時(shí)間膨脹),在地面上接收到的太陽(yáng)上某種原子發(fā)光頻率比地面 上同種原子發(fā)光頻率低。,光的引力頻移實(shí)驗(yàn),3.行星(水星) 近日點(diǎn)的旋進(jìn),4.雷達(dá)回波延遲效應(yīng),通過(guò)太陽(yáng)附近的無(wú)線電信號(hào)往返時(shí)間增長(zhǎng)。,5. 引力波,1918年 愛(ài)因斯坦預(yù)言存在引力輻射， 引力波探測(cè)前沿課題。,在PSR191316區(qū)域的觀測(cè)表明，兩個(gè)中子星因發(fā)射引力波失去能量，它們因此以螺旋軌道相互靠近。,8.6 相對(duì)論的意義和局限,一.相對(duì)論把對(duì)稱(chēng)性思想提高到作為構(gòu)建物理理論的出發(fā)點(diǎn)的高度,2.相對(duì)論把對(duì)稱(chēng)性思想提高到作為構(gòu)建物理理論的出發(fā)點(diǎn)的高度,愛(ài)因斯坦把方法倒了過(guò)來(lái)，他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存在的，而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這一點(diǎn)作為假設(shè)提出來(lái)，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式。 洛侖茲（荷.18531928 ）,4.相對(duì)論不變性成為約束其它理論的原則之一，用以排除、改造不符合相對(duì)性原理的規(guī)律。,二.相對(duì)論改變了人類(lèi)的觀念和生活,2.時(shí)空觀、物質(zhì)觀的深化,人類(lèi)以嶄新觀念探討人與宇宙的關(guān)系，建立人與自然和諧發(fā)展的