《广义相对论简介》.pptx

第 二 十 四 章 相 对 论 简 介 4 5、 广 义 相 对 论 简 介 相 对 论 简 介 19世 纪 后 半 叶 ， 关 于 电 磁 场 的 研 究 不 断 深 入 ，人 们 认 识 到 了 光 的 电 磁 本 质 我 们 已 经 知 道 ， 电磁 波 是 以 巨 大 且 有 限 的 速 度 传 播 的 ， 因 此 在 电 磁场 的 研 究 中 不 断 遇 到 一 些 矛 盾 ， 这 些 矛 盾 导 致 了相 对 论 的 出 现 相 对 论 不 仅 给 出 了 物 体 在 高 速 运 动 时 所 遵 循的 规 律 ， 而 且 改 变 了 我 们 对 于 时 间 和 空 间 的 认 识 ，它 的 建 立 在 物 理 学 和 哲 学 的 发 展 史 上 树 立 了 一 座重 要 的 里 程 碑 如 果 在 一 个 参 考 系 中 牛 顿 定 律 能 够 成 立 ， 这 个参 考 系 称 作 惯 性 参 考 系 ， 牛 顿 运 动 定 律 不 能 成 立 的 参考 系 则 是 非 惯 性 参 考 系 在 不 同 参考 系 中 观察 物 体 的运 动 情 况非 惯 性 系 和 惯 性 系 非 惯 性 系 和 惯 性 系 以 车 厢 为 参 考 系 ， 当 列 车 加 速 运 行 时 ， 小 球 会 相对 于 车 厢 加 速 向 后 运 动 aa 光 滑 表 面 非 惯 性 系 和 惯 性 系 加 速 运 动 的列 车 是 个 非惯 性 参 考 系 a为 了 让 牛 顿 定 律 在非 惯 性 系 中 能 够 成立 ， 引 入 惯 性 力 maF i 光 滑 表 面 非 惯 性 系 和 惯 性 系牛 顿 第 二 定 律 的 表 达 式 惯 性 力 的 定 义 式maF i maF “ ” 号 表 示 惯 性 力 的 方 向 与 非 惯性 系 的 加 速 度 方 向 相 反 注 意 不要 混 淆 非 惯 性 系 和 惯 性 系 以 加 速 上 升 的 电 梯 为 参考 系 ， 我 们 可 以 认 为 乘 坐 电梯 的 人 除 了 受 到 重 力 的 作 用 ，还 受 到 一 个 向 下 的 惯 性 力 ，重 力 和 惯 性 力 的 合 力 使 人 感受 到 了 超 重 aa maG 21世 纪 ， 人 类 在 空 间 站中 长 期 生 活 ， 为 了 克 服 失 重带 来 的 不 利 影 响 ， 可 以 将 空间 站 设 计 成 一 个 大 转 轮 ， 绕轴 自 转 ， 其 上 各 点 都 有 一 个指 向 转 动 轴 的 向 心 加 速 度 ，因 此 ， 以 空 间 站 为 参 考 系 ，与 它 一 起 旋 转 的 物 体 都 受 到一 个 背 离 转 动 轴 的 惯 性 力 ，这 就 是 所 谓 的 人 造 重 力 非 惯 性 系 和 惯 性 系 惯 性 质 量 和 引 力 质 量地 面 静 止 加 速 飞 行 a 引 力 和 惯 性 力 都 可以 使 物 体 加 速 下 落引 力 质 量 惯 性 质 量 广 义 相 对 论 简 介牛 顿 第 二 定 律 的 表 达 式 惯 性 力 的 定 义 式maF i maF “ ” 号 表 示 惯 性 力 的 方 向 与 非 惯性 系 的 加 速 度 方 向 相 反 注 意 不要 混 淆 “ m”应 该 叫 做 惯 性 质 量 惯 性 质 量 和 引 力 质 量 事 实 上 ， 到 目 前 为 止 的 一 切 实 验 研 究 都 没 有 找 到惯 性 质 量 和 引 力 质 量 之 间 的 差 别 ， 这 向 我 们 提 示 ： 加速 运 动 的 参 考 系 和 万 有 引 力 ， 二 者 之 间 可 能 存 在 某 种深 刻 的 联 系 广 义 相 对 论 简 介狭 义 相 对 论 广 义 相 对 论不 同 的 惯 性参 考 系 中 一切 物 理 规 律都 是 相 同 的 任 何 参 考 系（ 包 括 非 惯 性系 ） 中 物 理 规律 都 是 相 同 的真 空 中 的 光速 在 不 同 惯性 参 考 系 中都 是 相 等 的 一 个 均 匀 的 引力 场 与 一 个 做匀 加 速 运 动 的参 考 系 等 价更 进 一 步 等效原 理光速恒定爱 因斯 坦相 对性 原理 广 义相 对性 原理 广 义 相 对 论 的 两 个 基 本 原 理 可 以 得 出 一 些意 想 不 到 的 结 论 广 义 相 对 论 简 介 广 义 相 对 论 简 介 在 一 个 引 力 可 以 忽略 的 宇 宙 空 间 有 一 艘 宇宙 飞 船 在 做 匀 加 速 直 线运 动 ， 船 上 的 观 察 者 记录 光 的 径 迹 是 一 条 抛 物线 a 半透明屏光源 等 效 原 理 物 体 的 引 力 能 使 光 线 弯 曲 假 设 飞 船 静 止 ， 而 在 船 尾 存 在 一 个 巨 大 的 物 体 ， 在 它的 引 力 场 作 用 下 ， 飞 船 内 的 物 理 过 程 受 到 影 响 广 义 相 对 论 简 介 通 常 物 体 的 引 力 场 都 太 弱 ， 20世 纪 只 能 观 测 到 太 阳引 力 场 引 起 的 光 线 弯 曲 由 于 太 阳 引力 场 的 作 用 ， 我们 有 可 能 观 测 到太 阳 后 面 的 恒 星 ，最 好 的 观 测 时 间是 发 生 日 全 食 的时 候 1919年 5月 29日 ， 发 生 日 全 食 ， 英 国 考 察 队 分 赴 几 内 亚 湾 和 巴 西 进 行观 测 ， 证 实 了 爱 因 斯 坦 的 预 言 ， 这 是 对 相 对 论 的 最 早 证 实 广 义 相 对 论 简 介 星 球 的 强 引 力 场 能 使 背 后 传 来 的 光 线 汇 聚 ， 这种 现 象 叫 做 引 力 透 镜 效 应 星 体星 体 无法观 测 黑洞 宇 宙 中 很 可 能 存 在 黑 洞 ，它 不 辐 射 电 磁 波 ， 因 此 无 法 直接 观 测 ， 但 是 它 的 巨 大 质 量 和极 小 的 体 积 使 其 附 近 产 生 极 强的 引 力 场 ， 引 力 透 镜 是 探 索 黑洞 的 途 径 之 一 时 间 间 隔 与 引 力 场 有 关 引 力 场 的 存 在 使 得 空 间 不 同 位 置 的 时 间 进 程出 现 差 别 对 于 高 速 转 动 的 圆 盘 ， 除了 转 动 轴 的 位 置 外 ， 各 点 都 在做 加 速 运 动 ， 越 是 靠 近 边 缘 ，加 速 度 越 大 ， 方 向 指 向 盘 心 地 面 上 看 到 ： 越 是 靠 近 边 缘 ， 速 度 越 大 根 据 狭 义 相 对 论 ，靠 近 边 缘 部 位 的 时 间 进 程 较 慢 圆 盘 上 的 人 认 为 ： 盘 上 存 在 引 力 场 ， 方 向 由 盘 心 指 向 边 缘 ， 引 力 势 较 低 ， 得 出 ： 引 力 势 较 低 的 位 置 ， 时 间 进 程 比 较 慢 各类星体对比 宇 宙 中 有 一 类 恒 星 ， 体 积 很 小 ， 质 量 却 很 大 ， 叫 做 矮 星 ，引 力 势 比 地 球 低 的 多 ， 矮 星 表 面 的 时 间 进 程 比 较 慢 ， 哪 里 的 发光 的 频 率 比 同 种 的 原 子 在 地 球 上 发 光 频 率 低 ， 看 起 来 偏 红 ， 这个 现 象 叫 做 引 力 红 移 时 间 间 隔 与 引 力 场 有 关 引 力 场 的 存 在 使 得 空 间 不 同 位 置 的 杆 的 长 度出 现 了 差 别 地 面 上 看 到 ： 越 是 靠 近 边 缘 ， 速 度 越 大 根 据 狭 义 相 对 论 ，靠 近 边 缘 部 位 的 杆 的 长 度 较 短 圆 盘 上 的 人 认 为 ： 引 力 势 较 低 的 位 置 ， 杆 的 长 度 越 短 杆 的 长 度 与 引 力 场 有 关 引 力 势由 高 到低 变 化 杆 的 长 度 与 引 力 场 有 关 由 于 物 质 的 存 在 ， 实 际 空 间 并 不 是 均 匀 的 ， 空 间发 生 了 “ 弯 曲 ” ： 点 击 观 看 对 于 时 空 观 的 认 识 物 质 本 身 的 存 在 决定 时 空 的 性 质时 空 性 质 和 物质 的 运 动 有 关狭 义 相 对 论 广 义 相 对 论惯 性 系 平 权 所 有 参 考 系 平 权时空观光 速 恒 定 等 效 原 理 广 义 相 对 论 与 几 何 学 几 何 学 反 应 的 是 人 对 空 间 关 系 的 认 识 有 史 以来 人 们 只 在 比 较 小 的 空 间 尺 度 中 接 触 比 较 弱 的 引 力场 这 种 情 况 下 空 间 的 弯 曲 可 以 忽 略 ， 在 此 基 础 上人 类 发 展 了 欧 几 里 得 几 何 学 ， 它 反 映 了 平 直 空 间 的实 际 广 义 相 对 论 告 诉 我 们 实 际 空 间 是 弯 曲 的 ， 因此 描 述 实 际 空 间 的 应 该 是 更 具 有 一 般 意 义 的 非 欧 几何 作 为 非 欧 几 何 的 特 例 ， 欧 几 里 得 几 何 学 在 它 的适 用 范 围 内 仍 是 正 确 的 ， 还 将 继 续 发 挥 作 用