第四節(jié)廣義相對論簡介

1、內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧一、狹義相對論的兩點假設(shè)：一、狹義相對論的兩點假設(shè)：1 1、狹義相對性原理、狹義相對性原理 在不同的在不同的慣性參考系慣性參考系，一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律都是相同都是相同的的2 2、光速不變原理、光速不變原理 真空中的光速真空中的光速在不同的慣性參考系中是在不同的慣性參考系中是相同相同的，的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。二、由狹義相對論推出的幾個結(jié)論二、由狹義相對論推出的幾個結(jié)論1 1、“同時同時”的相對性的相對性2 2、動尺變短、動尺變短3 3、動鐘變慢、動鐘變慢4 4、速度變換公式、速度變換公式21cvuvuu21cvt2

2、01cvll內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧5 5、相對論質(zhì)量、相對論質(zhì)量6 6、質(zhì)能方程、質(zhì)能方程2mcE 201cvmm內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧一、超越狹義相對論的思考一、超越狹義相對論的思考 愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩個問題：愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩個問題：1 1、引力問題、引力問題 萬有引力定律無法納人狹義相對論的理論框架；萬有引力定律無法納人狹義相對論的理論框架；2 2、非慣性系問題，、非慣性系問題， 狹義相對論只適用于慣性系，為什么慣性系具狹義相對論只適用于慣性系，為什么慣性系具有這樣的地位？狹義相對論無法解釋有這樣的地位？狹義相對論無法解釋 二、廣義相對性原理和等效原理二、廣義相對性原

3、理和等效原理1 1、廣義相對性原理：、廣義相對性原理： 在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的。伽利略相對性原理伽利略相對性原理 力學規(guī)律力學規(guī)律在在任何慣性系任何慣性系都是都是相同相同的的愛因斯坦狹義相對性原理愛因斯坦狹義相對性原理(1905(1905年年) ) 在在不同的慣性參考系不同的慣性參考系中，中，一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律都有是都有是相同相同的；的； 愛因斯坦廣義相對論原理（愛因斯坦廣義相對論原理（19161916年）年） 在在任何參考系中任何參考系中( (包括非慣系）所有的物理規(guī)律包括非慣系）所有的物理規(guī)律都是都是相同相同的的，稱為廣義相對性原理。，

4、稱為廣義相對性原理。邏輯形式逐漸簡約邏輯形式逐漸簡約非慣性系和慣性系 以車廂為參考系，當列車加速運行時，小球會相以車廂為參考系，當列車加速運行時，小球會相對于車廂加速向后運動對于車廂加速向后運動aa光滑表面2 2、等效原理：、等效原理： 一個一個均勻均勻的引力場與一個做的引力場與一個做勻加速勻加速運動的參考系運動的參考系等價。等價。二、廣義相對性原理和等效原理二、廣義相對性原理和等效原理 如果飛船做勻加速運動，在如果飛船做勻加速運動，在光向右傳播的同時，飛的速度也在光向右傳播的同時，飛的速度也在不斷增大，因此船上觀察者記錄下不斷增大，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。的光的徑跡是一條

5、拋物線。三、廣義相對論的幾個結(jié)論三、廣義相對論的幾個結(jié)論1 1、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲、物質(zhì)的引力使光線發(fā)生彎曲 如果飛船做勻速直線運動，如果飛船做勻速直線運動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）條直線（虛線） 飛船外觀察者看到這束光是飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）直線傳播的（水平向右）通常物體的引力場都太弱，通常物體的引力場都太弱，2020世紀只能觀測到太陽引世紀只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲力場引起的光線彎曲19191919年年5 5月月2929日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進

6、行觀測，證實了愛因斯坦的預言，這是對廣義相對論和巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預言，這是對廣義相對論的最早證實的最早證實透鏡效應(yīng)透鏡效應(yīng) 星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚，這星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)宇宙中很可能存在黑洞，宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無法直它不輻射電磁波，因此無法直接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強極小的體積使其附近產(chǎn)生極強的引力場，引力透鏡是探索黑的引力場，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一洞的途徑之一2 2、引力場的存在使得空間不同位置的時間、引力場的存在使得空

7、間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別進程出現(xiàn)差別 對于高速轉(zhuǎn)動的圓盤，除對于高速轉(zhuǎn)動的圓盤，除了轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點都在做了轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點都在做加速運動，越是靠近邊緣，加速加速運動，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心度越大，方向指向盤心 地面上看到：地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對論，越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對論，靠近邊緣部位的時間進程較慢靠近邊緣部位的時間進程較慢 圓盤上的人認為：圓盤上的人認為：盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，靠盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，靠近邊緣的位置引力勢較低，得出：引力勢較低的位置，時間進程近邊緣的位置引力勢較低，得出：引力勢較低的

8、位置，時間進程比較慢比較慢三、廣義相對論的幾個結(jié)論三、廣義相對論的幾個結(jié)論各各類類星星體體對對比比宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移3 3、引力紅移、引力紅移狹義、廣義相對論比較狹義、廣義相對論比較狹義相對論狹義相對論廣義相對論廣義相對論不同的不同的慣性慣性參考系中一參考系中一切物理規(guī)律切物理規(guī)律都是相同的都是相同的 任何參考系任何參考系（包括非慣性（包括非慣性系）中物理規(guī)系）中物理規(guī)律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同慣速在不同慣性參考系中性參考系中都是相等的都是相等的 一個均勻的一個均勻的引力場與一個引力場與一個做勻加速運動做勻加速運動的參考系等價的參考系等價更進一步更進一步等等效效原原理理光光速速恒恒定定愛因愛因斯坦斯坦相對相對性原性原理理廣廣義義相相對對性性原