大學(xué)物理教程ch8

1、?第八章第五(d w)講第二篇 實物的運動(yndng)規(guī)律第八章 相對論共三十五頁8.5 廣義相對論簡介(jin ji)（了解）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。愛因斯坦的目標(biāo)：實現(xiàn)非慣性(gunxng)系與慣性(gunxng)系的平權(quán)改造引力理論，（建立時空與物質(zhì)的關(guān)聯(lián)） 共三十五頁一.廣義(gungy)相對論基本原理如何實現(xiàn)(shxin)慣性系和非慣性系的平權(quán)？物理定律在一切參考系（慣性系、非慣性系）中數(shù)學(xué)形式相同。1.

2、廣義相對性原理意義：實現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)，完善對稱性，是構(gòu)建理論的出發(fā)點。共三十五頁其中 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其慣性質(zhì)量毫無所知(su zh)，地球的“召喚”力與引力質(zhì)量有關(guān)，而石塊“回答”的運動則與慣性質(zhì)量有關(guān)。 愛因斯坦其中 反映物體慣性的大?。簯T性質(zhì)量2.等效(dn xio)原理1）實驗事實：慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等共三十五頁落體實驗 物體 A、B 在地球引力作用下自由下落， 計算物體對地球的加速度。 實驗結(jié)果：在引力場中同一點，一切物體有相同的 加速度共三十五頁適當(dāng)選取單位制：證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等的實驗結(jié)果實驗者伽利略牛頓厄阜等迪

3、克等布拉金斯基等年 代161016801890-191519641971實 驗落體單擺扭秤扭秤扭秤共三十五頁2)等效(dn xio)原理揭示引力場與慣性力場的內(nèi)在聯(lián)系 小球在無引力場的加速參考系和有引力場的慣性系中的運動規(guī)律相同，無法區(qū)分。結(jié)論：慣性力和引力等效；慣性力場與同方向引力場等效。慣性系非慣性系愛因斯坦理想實驗之一在封閉火箭中考查小球的運動自由空間加速火箭引力場中靜止的火箭共三十五頁愛因斯坦理想實驗之二小球在無引力場的慣性系和有引力場的加速參考系中的運動規(guī)律相同，無法區(qū)分。結(jié)論：慣性力和引力等效；慣性力場抵消反方向 引力場。無引力場的自由空間 勻速運動的升降機慣性系引力場中某一時空點

4、自由下落的升降機非慣性系共三十五頁局部慣性系：在小體積內(nèi)，引力場可視為均勻，從而可通過參考系的加速運動消除(xioch)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(ynl)的效應(yīng)消失了，其中所有物理定律和在遠離任何引力(ynl)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(ynl)，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(ynl)物體附近一樣。共三十五頁比較(bjio)自身無加速度自身有加速度，但慣性力消除了引力影響是理想?yún)⒖枷的軌驅(qū)嶋H操作，在局部范圍實現(xiàn)

5、經(jīng)典慣性系局部慣性系 等效原理：對于一切物理過程(guchng)，引力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?；颍涸谝鲋械娜我粫r空點，總能建立一個自由下落的局部慣性系，其中狹義相對論確立的規(guī)律全部有效。廣義相對論狹義相對論無引力共三十五頁二.廣義(gungy)相對論時空觀1.非歐幾何(j h)歐氏幾何：平直空間的幾何，可采用笛卡兒坐標(biāo)描述一個 n 維彎曲空間，至少需要 n+1 維平直空間非歐幾何：彎曲空間的幾何，不借助于n+1 維平直空間，直接在n 維空間中研究其彎曲性兩點間大圓弧距離最短兩條平行線會相交三角形內(nèi)角和測地線(短程線) :空間兩點間距離最短的路徑共三十五頁判斷

6、空間是否彎曲(wnq)的方法：測圓周長與直徑的比平面凹面彎曲空間是空間的整體性質(zhì)(xngzh)，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凸面共三十五頁2.非慣性系中的彎曲(wnq)時空由洛侖茲變換：平板：S 系，慣性系轉(zhuǎn)盤： 系，非慣性系 系中的鐘、尺處于與盤邊緣（如 點）相聯(lián)的瞬時共動慣性系中。 共三十五頁即在非慣性系 中，空間彎曲。3.引力場的幾何(j h)化用時空的幾何(j h)結(jié)構(gòu)來描述引力由等效原理：引力場慣性力場（加速系）等價彎曲時空共三十五頁g(r)引力場源 S理想實驗S：在引力場中自由降落局域慣性系其中狹義相對論成立，時空平直。S

7、：引力場源，相對S，以 向上運動。 非慣性系，每時刻都處于瞬時共動慣性系中最初：S 與S相對靜止， 二者中的鐘、尺標(biāo)度相同下落：S 相對于S運動，S中的觀察者認為S 中的鐘慢尺縮，相對速度越大，鐘慢尺縮越顯著。引力場強越大處(d ch)的鐘越慢、豎直尺越短。共三十五頁引力場中不同位置處的時空(sh kn)標(biāo)度不同 時空(sh kn)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）共三十五頁廣義(gungy)相對論時空觀：時空(sh kn)是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，只有在無引力場存在時，時空才是平直的（歐幾里德空間），有引力場存在時，

8、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(yīng)。當(dāng)用彎曲空間取代引力場后，受引力場作用的質(zhì)點就成了自由質(zhì)點，沿彎曲空間中的短程線運動。共三十五頁 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(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作同一種事物的不同名稱。 薛定諤（奧地利.18871961 ）引力作用使小球運動軌道偏轉(zhuǎn)彎曲空間使小球運動軌道偏轉(zhuǎn)共三十五頁四、廣義相對論的可觀測(gunc)效應(yīng)和實驗驗證 在加速運動的升降機內(nèi)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(d ch)：光線在引力場中要

9、發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1、引力使光線偏轉(zhuǎn)升降機共三十五頁日全食時觀測恒星視位置(wi zhi)與恒星實際位置(wi zhi)比較，可測得光線偏折角。恒星視位置恒星太陽地球月球預(yù)言值：實測值：1919年1975年共三十五頁原因：一個質(zhì)量為太陽十分之一的超級天文密暈物體通過恒星與地球之間，恒星光被吸引聚集。類星體像視在光線星系或黑洞視在光線B現(xiàn)象：一個恒星突然發(fā)出比平常強7倍的光， 兩個月后恢復(fù)正常。引力透鏡:1993年，美國、澳大利亞天文小組發(fā)現(xiàn)“引力微凸透鏡成象”共三十五頁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(ynl)透鏡成象“愛因斯坦環(huán)”共三十五頁2.光的引力(ynl)

10、頻移(引力(ynl)使時間膨脹)光沿引力場方向傳播藍移光逆引力場方向傳播紅移光源探測器地球表面藍移紅移在地面上接收到的太陽上某種原子(yunz)發(fā)光頻率比地面上同種原子發(fā)光頻率低。共三十五頁年代實驗者理論預(yù)言1959AdamBlamontBranlt塔高實驗觀測地球引力場太 陽引力場恒 星引力場196019601964196119631971天狼星伴星玻江座40 伴星BChanshowPoundRebkaPoundSniderGreenstem12.5m22.6m22.5m太陽光的引力(ynl)頻移實驗共三十五頁3.行星(水星(shuxng) 近日點的旋進行理論值觀測值水星金星地球1859年發(fā)

11、現(xiàn)水星軌道不是固定的橢圓，其近日點有附加旋進，牛頓引力理論無法解釋，可用廣義相對論時空彎曲理論解釋。共三十五頁4.雷達(lid)回波延遲效應(yīng)通過太陽附近(fjn)的無線電信號往返時間增長。時間實 驗實驗值/理論值1968年地球 水星地球 金星地球 人造衛(wèi)星地球火星表面 海盜著陸艙1971年1977年90年代共三十五頁5. 引力波1918年 愛因斯坦預(yù)言存在(cnzi)引力輻射，引力波探測前沿課題。美國泰勒、赫爾斯發(fā)現(xiàn)脈沖雙星，測量其脈沖周期和軌道運動周期，得出由于引力輻射，雙星周期減小率為 ，與廣義相對論預(yù)言相符，獲1993年諾貝爾物理獎。引力波探測：左起：泰勒（美.1941）赫爾斯（美.19

12、50）共三十五頁 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。引力波探測站美國華盛頓州漢福德的LIGO觀測站共三十五頁8.6 相對論的意義(yy)和局限一.相對論把對稱性思想提高到作為構(gòu)建物理(wl)理論的出發(fā)點的高度1.表觀上的相對性蘊藏著內(nèi)在的絕對性長度、時間、質(zhì)量等的相對性來自具有絕對性的基本原理：物理定律的數(shù)學(xué)形式真空中的光速不隨參考系變化力學(xué)相對性原理狹義相對性原理廣義相對性原理力學(xué)定律的數(shù)學(xué)形式不隨慣性系變化物理定律的數(shù)學(xué)形式不隨參考系變化物理定律的數(shù)學(xué)形式不隨慣性系變化對稱性擴展共三十五頁2.相對論把對稱性思想(sxing)提高

13、到作為構(gòu)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(yīng)當(dāng)存在這一點作為假設(shè)提出來，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式。 洛侖茲（荷.18531928 ）愛因斯坦式的工作程序：科學(xué)觀念原理邏輯結(jié)論和可觀測事實實驗檢驗共三十五頁4.相對論不變性成為約束(yush)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。3.揭示出一些物理量的關(guān)聯(lián)，建立起新的不變量，更深刻地反映了自然界的對稱性。四維時空，質(zhì)能關(guān)系，能量、動量關(guān)系 二.相對論改變了人類的觀念(gunnin)和生活1.宇宙觀的發(fā)展地球是宇宙的中心地球（太陽系、銀河系）是宇宙中

14、特別優(yōu)越的慣性系一切慣性系等價，宇宙無中心，取消地球的特殊地位一切參考系等價共三十五頁 狹義相對論時空觀： 揭示出時間、空間彼此關(guān)聯(lián)，并與運動密不可分，形成四維平直時空概念：不是“時間 + 空間”，而是“時間 空間”統(tǒng)一體。不同慣性系中的觀察者有各自不同的時空觀念，由洛侖茲變換相關(guān)聯(lián)。絕對時空觀：時間、空間只是先驗框架，它們彼此獨立，與物質(zhì)、運動無關(guān)。慣性系依托于絕對時空，時間間隔、空間距離的測量與慣性系的選擇無關(guān)。 廣義相對論時空觀： 時空不過是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場的結(jié)構(gòu)，時空彎曲描述了引力場的分布弱引力低速2.時空觀、物質(zhì)(wzh)觀的深化人類以嶄新觀念探討人與宇宙的關(guān)系(gun x

15、)，建立人與自然和諧發(fā)展的新自然觀共三十五頁 人們用于描述客體屬性的概念并不完全是客體自身的實在性質(zhì)，而是反映了客體與觀察者的某種關(guān)系，均要受到人類認識手段和思維方式的限制，人類對自然的探索是永無止境的。3.科學(xué)觀的革新物質(zhì)(wzh)觀的深化： 質(zhì)量是約束能量的形式，是能量的載體。無論物質(zhì)如何運動，二者只由常數(shù) c2 相聯(lián)系。 確定了“場”的實在地位，場是物質(zhì)存在的基本形式之一。 廣義相對論不再把空間時間看做舞臺，把物質(zhì)看做演員；認為物質(zhì)分布與時空彎曲相聯(lián)系，兩者的性質(zhì)密切相關(guān)。共三十五頁三.相對論不是終極(zhngj)理論1.狹義相對論未包容非慣性系和引力定律，對稱性尚不完善。廣義相對論還處于不斷完善的過程中。2.受決定論思想方法支配，未包容微觀世界規(guī)律。3.未能揭示時間箭頭的物理意義。相對論只是物理理論(lln)發(fā)展中的一個臺階，它不能窮盡各層次事物間的相互聯(lián)系和作用方式，相對論不是終極理論(lln)。4.擴大了人類實踐活動的領(lǐng)域低速高速宇觀微觀打開空間技術(shù)、核能利用的大門共三十五頁內(nèi)容摘要第八章第五講。2)等效原理揭示引力場與慣性力場的內(nèi)在聯(lián)系。這種在局部空間范圍消去了引力場的參考系稱為(chn wi)局部