大學物理：chap4-6廣義相對論簡介

1、愛因斯坦為什么要創(chuàng)立廣義相對論？,1.狹義相對論只適用于慣性系，即慣性系比非慣性系“優(yōu)越”，所反映的自然規(guī)律的對稱性不完善。,2.狹義相對論的洛侖茲變換不能保持引力形式不變，即狹義相對論不能包容萬有引力定律。,4.6 廣義相對論簡介,一.廣義相對論基本原理,如何實現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權？,意義： 實現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權，完善對稱性，是構建理論的出發(fā)點。,其中 m 反映物體產(chǎn)生和接受引力的性質：引力質量,地球以引力吸引石塊而對其慣性質量毫無所知，地球的“召喚”力與引力質量有關，而石塊“回答”的運動則與慣性質量有關。 愛因斯坦,其中 反映物體慣性的大小：慣性質量,2.等效原理,1）實驗事實：

2、慣性質量與引力質量相等,實驗結果：在引力場中同一點，一切物體有相同的 加速度,適當選取單位制：,2)等效原理揭示引力場與慣性力場的內在聯(lián)系,愛因斯坦理想實驗之二,局部慣性系：在小體積內，引力場可視為均勻，從而可通過參考系的加速運動消除其中各點的引力影響。這種在局部空間范圍消去了引力場的參考系稱為局部慣性系。例如在引力場中自由下落的升降機。,在一個局部慣性系中，引力的效應消失了，其中所有物理定律和在遠離任何引力物體的真正的慣性系中一樣。反過來說，一個在太空中加速的參考系中將會出現(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引力物體附近一樣。,比較,等效原理：對于一切物理過程，引力

3、場與勻加速運動的參考系局部等效，即引力與慣性力局部等效。,二.廣義相對論時空觀,1.非歐幾何,判斷空間是否彎曲的方法：測圓周長與直徑的比,凹面,彎曲空間是空間的整體性質，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空,由洛侖茲變換：,3.引力場的幾何化用時空的幾何結構來描述引力,引力場強越大處的鐘越慢、豎直尺越短。,引力場中不同位置處的時空標度不同 時空彎曲。 引力場強越強、引力勢越低處的鐘越慢、徑向尺越短，空間曲率越大。 （只有在強引力場中才明顯）,廣義相對論時空觀：,時空是由物質分布狀況決定的引力場的結構性質， 只有在無引

4、力場存在時，時空才是平直的（歐幾里 德空間），有引力場存在時，時空是彎曲的（黎曼 空間），引力場強度分布與空間曲率分布一一對應。 當用彎曲空間取代引力場后，受引力場作用的質點 就成了自由質點，沿彎曲空間中的短程線運動。,自從廣義相對論出現(xiàn)以來，不能再把空間時間看做舞臺，把物質看做演員；兩者的性質如此密切相關，人們幾乎可以把它們稱作同一種事物的不同名稱。 薛定諤（奧地利.18871961 ）,四、廣義相對論的可觀測效應和實驗驗證,在加速運動的升降機內的觀察者看到，光線相對于升降機走彎曲的路線。由等效原理可知，加速運動的參考系與引力場等效，因此，可以得出：光線在引力場中要發(fā)生偏轉。,日全食時觀測恒

5、星視位置與恒星實際位置比較，可測得光線偏折角。,1998年3月英國用“默林”射電望遠鏡和哈勃太空望遠鏡觀測到完整的引力透鏡成象“愛因斯坦環(huán)”,2.光的引力頻移(引力使時間膨脹),在地面上接收到的太陽上某種原子發(fā)光頻率比地面 上同種原子發(fā)光頻率低。,光的引力頻移實驗,3.行星(水星) 近日點的旋進,4.雷達回波延遲效應,通過太陽附近的無線電信號往返時間增長。,5. 引力波,1918年 愛因斯坦預言存在引力輻射， 引力波探測前沿課題。,在PSR191316區(qū)域的觀測表明，兩個中子星因發(fā)射引力波失去能量，它們因此以螺旋軌道相互靠近。,8.6 相對論的意義和局限,一.相對論把對稱性思想提高到作為構建物理理論的出發(fā)點的高度,2.相對論把對稱性思想提高到作為構建物理理論的出發(fā)點的高度,愛因斯坦把方法倒了過來，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)變性應當存在這一點作為假設提出來，并且用它演繹出方程組應有的形式。 洛侖茲（荷.18531928 ）,4.相對論不變性成為約束其它理論的原則之一，用以排除、改造不符合相對性原理的規(guī)律。,二.相對論改變了人類的觀念和生活,2.時空觀、物質觀的深化,人類以嶄新觀念探討人與宇宙的關系，建立人與自然和諧發(fā)展的