文科物理-第3章現(xiàn)代物理學 第1節(jié) 相對論時空觀

1、1 第三章第三章 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學 第一節(jié)相對論時空觀第一節(jié)相對論時空觀 2 運動的時空運動的時空： v狹義相對論狹義相對論 狹義相對論誕生的背景狹義相對論誕生的背景 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理 狹義相對論的重要預言狹義相對論的重要預言 v廣義相對論廣義相對論 廣義相對論的等效原理廣義相對論的等效原理 愛因斯坦引力場方程愛因斯坦引力場方程 廣義相對論的重要推論廣義相對論的重要推論 相對論的宇宙觀相對論的宇宙觀 v習題習題 3 李白的早發(fā)白帝城 運動的時空：運動的時空： 朝辭白帝彩云間， 千里江陵一日還。 兩岸猿聲啼不住， 輕舟已過萬重山。 運動是物質(zhì)的根本屬性和存在方式。 4

2、 o 時間和空間（簡稱時空）是運動著的物質(zhì)的存在形 式。 空間是在測量和描述物體及其運動的位置、形狀、 方向等性質(zhì)中抽象出來的。 時間是從描述物體運動的持續(xù)性，以及事件發(fā)生的 順序中抽象出來的。 o 對于局限于慣性系（牛頓運動定律在其中有效的參 考系）的理論我們稱為狹義相對論。 o 推廣到一般參考系和包括引力場在內(nèi)的理論則稱為 廣義相對論。 5 狹義相對論誕生的背景：狹義相對論誕生的背景： v19世紀末期 ，以經(jīng)典力學、經(jīng)典電磁場理論 和經(jīng)典統(tǒng)計力學為三大支柱的經(jīng)典物理大廈 已經(jīng)建成。 v兩朵烏云：兩朵烏云： （）邁克耳森莫雷實驗并沒有發(fā)現(xiàn)“以太” 絕對參考系存在； （）黑體輻射實驗出現(xiàn)的“紫

3、外災難”。 6 v相對性原理：所有慣性參考系都是等價的， 物理規(guī)律對于所有慣性參考系都可以表示為 相同形式。 v兩個相對運動的慣性參考系之間時空變換關(guān) 系（也稱洛倫茲變換）。 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理 ： 7 v光速不變原理：真空中的光速相對于慣性系 沿任何方向恒為 km/s，與光源和 觀察者是否運動無關(guān)。 v在所有的慣性系中，真空中光的速率具有相 同的值。 v光速是實際物體運動的極限，宇宙間沒有任 何東西能以大于光速的速度運動。 300000c 8 狹義相對論的重要預言：狹義相對論的重要預言： v運動時鐘的延緩：一個以速率v運動的參考系 S（例如火車）中于固定地點發(fā)生了一個事

4、件， 相對于這個運動參考系中懸掛的鐘表，此事 件持續(xù)的時間間隔為t。相對于不動參考系 S（例如地面）中懸掛的鐘表，此事件持續(xù)的 時間間隔為t。那么 2 2 1 t t v c t t 9 “運動讓你更年輕” 10 v運動尺度的縮短：觀察者A和B都帶著一把 長為 直尺，B相對A的勻速直線運動速率 為 ，其方向沿著直尺指向（由左指向 右）。當觀察者B從相對地面靜止的觀察者 A旁邊走過時，在A看來B的尺子變短了。 0 L v 22 0 /1cvLL轉(zhuǎn)換公式為： 11 v質(zhì)量的相對性：在相對論中，物體的質(zhì)量隨 著它的運動速率增大而增大。如果把物體靜 止時的質(zhì)量記為 ，那它高速運動時質(zhì)量為 在低速運動情

5、況下，物體的質(zhì)量和靜止質(zhì)量差 異很小。 0 m 0 22 1/ m m vc 12 v質(zhì)能方程：在狹義相對論中，質(zhì)量和能量有 確定的對應關(guān)系。 2 Emc 13 廣義相對論的誕生：廣義相對論的誕生： 狹義相對論的相對性原 理是建立在兩個做相對勻 速運動的慣性系里。沒有 真正解決經(jīng)典力學中的已 有難題。經(jīng)典力學是無法 回到慣性系在物理學中的 優(yōu)越性的，因此愛因斯坦 意識到要進一步探明這個 問題，就必須擴大相對性 原理的應用范圍。他將自 己的研究領(lǐng)域從慣性系拓 展到了加速運動的參考系， 從而形成比狹義相對論范 圍更廣闊、更普遍的理論： 廣義相對論。 14 廣義相對論的等效原理：廣義相對論的等效原理

6、： v等效原理：在一個封閉的空間中，無法通過 實驗手段來判斷該空間是靜止在引力場中， 還是在無引力場作用下的加速運動（也可表 述成物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量必須等效）。 15 愛因斯坦引力場方程：愛因斯坦引力場方程： v愛因斯坦引力場方程： T c G RgR 4 8 2 1 方程左邊描述的是時空性 質(zhì)的物理量，而右邊對應物 質(zhì)的能量和動量分布，從而 將時間、空間、質(zhì)量、能量 四者合而為一。 16 廣義相對論的重要推論：廣義相對論的重要推論： v水星近日點進動 ：根據(jù)牛頓萬有引力定律分 析，水星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌跡是一條嚴格的橢 圓軌道，但天文觀測顯示這條軌道不是閉合 的曲線，而是有微小的轉(zhuǎn)動。 1

7、7 v光線彎曲現(xiàn)象：光線發(fā)生彎曲現(xiàn)象是否明顯， 取決于光源和觀察者之間的引力場的大小 （依賴于產(chǎn)生引力場天體的質(zhì)量）。 18 v引力紅移：由廣義相對論可推知，當從遠離 引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射 源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些。 引力紅移是強引 力場中天體發(fā)射 的電磁波波長變 長的現(xiàn)象。 19 v廣義相對論的其它結(jié)論和應用： 雷達回波延遲，美國的GPS全球定位系統(tǒng)，中 國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及歐洲伽利略全 球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 v中子星的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測、 引力輻射理論和引力波探測、大爆炸宇宙學、 量子引力以及大尺度時空的拓撲結(jié)構(gòu)等問題 的研究正在深入，廣義相對論已

8、經(jīng)成為物理 研究的重要理論基礎(chǔ)。 20 21 相對論的宇宙觀：相對論的宇宙觀： v天文學是人類祖先在游牧和農(nóng)耕時，由于確 定季節(jié)的需要而誕生的。 v戰(zhàn)國時期尸佼定義的宇宙：“四方上下曰宇， 往古來今為宙”。 v經(jīng)典牛頓力學中，宇宙被認為在時空和空間 上都是無限的。宇宙中的天體分布在某個中 心的周圍，從這個中心向外，天體分布的密 度逐漸減小，直到無限遠處變成真空狀態(tài)。 22 v美國核物理學家、宇宙學家伽莫夫?qū)⑾鄬φ撘?宇宙學，提出了熱大爆炸宇宙學模型。熱大爆炸 宇宙學模型認為，宇宙最初開始于高溫高密度的 原始物質(zhì)，溫度超過幾十億度。隨著宇宙膨脹， 溫度逐漸下降，形成了現(xiàn)在的恒星、星系等天體。 v觀測證據(jù)：大尺度結(jié)構(gòu)星系的分布，宇宙微波背 景輻射，空間膨脹的哈勃關(guān)系，宇宙大爆炸早期 元素豐度等。 23 v廣義相對論對于宇宙的時空性質(zhì)給出三種預 言： （1）閉合宇宙（先膨脹后塌縮） （2）開放宇宙（永遠膨脹） （3）平直宇宙（永遠膨脹） 24 加速膨脹的宇宙：加速膨脹的宇宙： 25 相對論作為物理學的重要組成部分，是近 代物理學的兩大支柱之一。愛因斯坦曾經(jīng)這 樣開玩笑地描述他的相對論：“你和一個漂 亮姑娘在公園長椅上坐一小時，覺