chap廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介解析實(shí)用實(shí)用教案

1、一一. .廣義廣義(gungy)(gungy)相對(duì)論基本原理相對(duì)論基本原理如何如何(rh)(rh)實(shí)現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)？實(shí)現(xiàn)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。數(shù)學(xué)形式相同。1.1.廣義相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理意義：意義：實(shí)現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)，完善實(shí)現(xiàn)慣性系和非慣性系的平權(quán)，完善(wnshn)(wnshn)對(duì)對(duì)稱性，是構(gòu)建理論的出發(fā)點(diǎn)。稱性，是構(gòu)建理論的出發(fā)點(diǎn)。第1頁(yè)/共33頁(yè)第一頁(yè)，共34頁(yè)。r rMmG)r(F2 其中其中 m 反映物體產(chǎn)生和接受引力的性質(zhì)反映物體產(chǎn)生和接受引力的性質(zhì)：引力質(zhì)量

2、引力質(zhì)量 地球以引力吸引石塊而對(duì)其慣性質(zhì)量毫無(wú)所知，地地球以引力吸引石塊而對(duì)其慣性質(zhì)量毫無(wú)所知，地球的球的“召喚召喚”力與引力質(zhì)量有關(guān)力與引力質(zhì)量有關(guān)(yugun)(yugun)，而石塊，而石塊“回答回答”的運(yùn)動(dòng)則與慣性質(zhì)量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)則與慣性質(zhì)量有關(guān)(yugun)(yugun)。 愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦)r(am)r(F 其中其中 反映物體慣性的大?。悍从澄矬w慣性的大?。簯T性質(zhì)量慣性質(zhì)量m 2.2.等效等效(dn(dn xio)xio)原理原理1 1）實(shí)驗(yàn)事實(shí)）實(shí)驗(yàn)事實(shí)(shsh)(shsh)：慣性質(zhì)量與引力質(zhì)：慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等量相等第2頁(yè)/共33頁(yè)第二頁(yè)，共34頁(yè)。落體實(shí)驗(yàn)落體實(shí)驗(yàn) 物體物體

3、 A、B 在地球引力作用下自由下落，在地球引力作用下自由下落， 計(jì)算物體對(duì)地球的加速度。計(jì)算物體對(duì)地球的加速度。AAAamF慣慣 20rMmGFAA引引 20rMGmmaAAA 慣慣引引BBBamF慣慣 20rMmGFBB引引 20rMGmmaBBB 慣慣引引 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在引力場(chǎng)中同一點(diǎn)，一切物體有相同的在引力場(chǎng)中同一點(diǎn)，一切物體有相同的 加速度加速度BAaa 第3頁(yè)/共33頁(yè)第三頁(yè)，共34頁(yè)。恒量恒量即即慣慣引引慣慣引引 kmmmmBBAA適當(dāng)選取單位制：適當(dāng)選取單位制：慣慣引引得得mmk 1證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)者伽利略

4、伽利略牛頓牛頓厄阜等厄阜等迪克等迪克等布拉金斯基等布拉金斯基等年年 代代161016801890-191519641971慣慣引引慣慣mmm/)( 3102 3101 9103 11101 13109 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)落體落體單擺單擺扭秤扭秤扭秤扭秤扭秤扭秤第4頁(yè)/共33頁(yè)第四頁(yè)，共34頁(yè)。2)2)等效等效(dn(dn xio) xio)原理原理揭示引力場(chǎng)與慣性力場(chǎng)的揭示引力場(chǎng)與慣性力場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系內(nèi)在聯(lián)系 小球在無(wú)引力場(chǎng)的加速參小球在無(wú)引力場(chǎng)的加速參考系和有引力場(chǎng)的慣性系考系和有引力場(chǎng)的慣性系中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，無(wú)法中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，無(wú)法區(qū)分。區(qū)分。結(jié)論：慣性力和引力等效；結(jié)論：慣性力和引力等效；慣性

5、力場(chǎng)與同方向引力場(chǎng)慣性力場(chǎng)與同方向引力場(chǎng)等效。等效。慣慣F引引F慣慣性性系系非非慣慣性性系系ga 愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)之一愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)之一在封閉火箭中考在封閉火箭中考查小球的運(yùn)動(dòng)查小球的運(yùn)動(dòng)自由空間加速火箭自由空間加速火箭引力場(chǎng)中靜止的火箭引力場(chǎng)中靜止的火箭)(ga )(mgF 引引第5頁(yè)/共33頁(yè)第五頁(yè)，共34頁(yè)。愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)之二愛(ài)因斯坦理想實(shí)驗(yàn)之二小球在無(wú)引力場(chǎng)的慣性系和有引力場(chǎng)的加速參小球在無(wú)引力場(chǎng)的慣性系和有引力場(chǎng)的加速參考系中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，無(wú)法區(qū)分?？枷抵械倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，無(wú)法區(qū)分。結(jié)論：慣性力和引力等效；慣性力場(chǎng)抵消反方向結(jié)論：慣性力和引力等效；慣性力場(chǎng)抵消反方向 引力場(chǎng)。引力

6、場(chǎng)。無(wú)引力場(chǎng)的自由空間無(wú)引力場(chǎng)的自由空間 勻速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)慣性系慣性系引力場(chǎng)中某一時(shí)空點(diǎn)引力場(chǎng)中某一時(shí)空點(diǎn)自由下落的升降機(jī)自由下落的升降機(jī)慣慣F引引F非慣性系非慣性系g第6頁(yè)/共33頁(yè)第六頁(yè)，共34頁(yè)。局部慣性系：在小體積內(nèi)，引力場(chǎng)可視為均勻，從局部慣性系：在小體積內(nèi)，引力場(chǎng)可視為均勻，從而而(cng r)(cng r)可通過(guò)參考系的加速運(yùn)動(dòng)消除其中各可通過(guò)參考系的加速運(yùn)動(dòng)消除其中各點(diǎn)的引力影響。這種在局部空間范圍消去了引力場(chǎng)點(diǎn)的引力影響。這種在局部空間范圍消去了引力場(chǎng)的參考系稱為局部慣性系。例如在引力場(chǎng)中自由下的參考系稱為局部慣性系。例如在引力場(chǎng)中自由下落的升降機(jī)。落的升降機(jī)

7、。ggg 在一個(gè)局部慣性系中，引力的效在一個(gè)局部慣性系中，引力的效應(yīng)應(yīng)(xioyng)(xioyng)消失了，其中所有物消失了，其中所有物理定律和在遠(yuǎn)離任何引力物體的真正理定律和在遠(yuǎn)離任何引力物體的真正的慣性系中一樣。反過(guò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)在的慣性系中一樣。反過(guò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)在太空中加速的參考系中將會(huì)出現(xiàn)表觀太空中加速的參考系中將會(huì)出現(xiàn)表觀的引力，在這樣的參考系中，物理定的引力，在這樣的參考系中，物理定律就和該參考系靜止在一個(gè)引力物體律就和該參考系靜止在一個(gè)引力物體附近一樣。附近一樣。第7頁(yè)/共33頁(yè)第七頁(yè)，共34頁(yè)。比較比較(b(bjijio)o)自身無(wú)加速度自身無(wú)加速度自身有加速度，但慣性力自身有加速

8、度，但慣性力消除了引力影響消除了引力影響是理想?yún)⒖枷凳抢硐雲(yún)⒖枷的軌驅(qū)嶋H操作，在局部范能夠?qū)嶋H操作，在局部范圍實(shí)現(xiàn)圍實(shí)現(xiàn)經(jīng)典慣性系經(jīng)典慣性系局部慣性系局部慣性系 等效原理：對(duì)于一切物理過(guò)程等效原理：對(duì)于一切物理過(guò)程(guchng)(guchng)，引力場(chǎng)與，引力場(chǎng)與勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系局部等效，即引力與慣性力局部等勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系局部等效，即引力與慣性力局部等效。效。或：或：在引力場(chǎng)中的任一時(shí)空點(diǎn)，總能建立一個(gè)自由下在引力場(chǎng)中的任一時(shí)空點(diǎn)，總能建立一個(gè)自由下落的局部慣性系，其中狹義相對(duì)論確立的規(guī)律全部有落的局部慣性系，其中狹義相對(duì)論確立的規(guī)律全部有效。效。廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論狹義相對(duì)

9、論無(wú)引力無(wú)引力第8頁(yè)/共33頁(yè)第八頁(yè)，共34頁(yè)。二二. .廣義廣義(gungy)(gungy)相對(duì)相對(duì)論時(shí)空觀論時(shí)空觀1.非歐幾何非歐幾何(j h)歐氏幾何：歐氏幾何：平直空間的幾何，可采用笛卡兒坐標(biāo)平直空間的幾何，可采用笛卡兒坐標(biāo)描述一個(gè)描述一個(gè) n 維彎曲空間，至少需要維彎曲空間，至少需要 n+1 維平直空間維平直空間非歐幾何：非歐幾何：彎曲空間的幾何，不借助于彎曲空間的幾何，不借助于n+1 維平直空維平直空間，直接在間，直接在n 維空間中研究其彎曲性維空間中研究其彎曲性兩點(diǎn)間大圓弧距離最短兩點(diǎn)間大圓弧距離最短兩條平行線會(huì)相交兩條平行線會(huì)相交三角形內(nèi)角和三角形內(nèi)角和 測(cè)地線測(cè)地線( (短程

10、線短程線) :) :空間兩點(diǎn)間距離最短的路徑空間兩點(diǎn)間距離最短的路徑第9頁(yè)/共33頁(yè)第九頁(yè)，共34頁(yè)。判斷空間是否彎曲的方法判斷空間是否彎曲的方法(fngf)(fngf)：測(cè)圓周長(zhǎng)與直：測(cè)圓周長(zhǎng)與直徑的比徑的比平面平面 DCDC凹面凹面 DC彎曲空間是空間的整體性質(zhì)，彎曲空間的局部小范圍彎曲空間是空間的整體性質(zhì)，彎曲空間的局部小范圍 平直空間平直空間小范圍平直空間小范圍平直空間 大范圍不一定平直，只是大范圍不一定平直，只是(zhsh)(zhsh)彎曲空間的局部效果彎曲空間的局部效果凸面凸面 DC第10頁(yè)/共33頁(yè)第十頁(yè)，共34頁(yè)。2.2.非慣性系中的彎曲非慣性系中的彎曲(wnq)(wnq)時(shí)空

11、時(shí)空由洛侖茲變換：由洛侖茲變換：rr lcrl d1d22 lcvlcrll 22221d1d 平板：平板：S S 系，慣性系系，慣性系轉(zhuǎn)盤：轉(zhuǎn)盤： 系，非慣性系系，非慣性系S rl 2 系中的鐘、尺處于與盤邊緣（系中的鐘、尺處于與盤邊緣（如如 點(diǎn)）相聯(lián)的瞬時(shí)共動(dòng)慣性系點(diǎn)）相聯(lián)的瞬時(shí)共動(dòng)慣性系中。中。 PSoorrllP第11頁(yè)/共33頁(yè)第十一頁(yè)，共34頁(yè)。即即rrlcvll 22122:2rl 在非慣性系在非慣性系 中，空間彎曲。中，空間彎曲。s3.3.引力場(chǎng)的幾何化引力場(chǎng)的幾何化用時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)描述用時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)描述(mio sh)(mio sh)引力引力由等效原理：由等效原理：引力

12、場(chǎng)引力場(chǎng)慣性力場(chǎng)（加速系）慣性力場(chǎng)（加速系）等價(jià)等價(jià)彎曲時(shí)空彎曲時(shí)空第12頁(yè)/共33頁(yè)第十二頁(yè)，共34頁(yè)。g( (r) )引力場(chǎng)源 Ss 理想實(shí)驗(yàn)理想實(shí)驗(yàn)SS：在引力場(chǎng)中自由降落：在引力場(chǎng)中自由降落局域慣性系局域慣性系其中狹義相對(duì)論成立，時(shí)空平直。其中狹義相對(duì)論成立，時(shí)空平直。)(rga S S ：引力場(chǎng)源，相對(duì)：引力場(chǎng)源，相對(duì)SS，以以 向上運(yùn)動(dòng)。向上運(yùn)動(dòng)。 非慣性系，每時(shí)刻都處于瞬時(shí)共動(dòng)慣性系中非慣性系，每時(shí)刻都處于瞬時(shí)共動(dòng)慣性系中最初：最初：S S 與與SS相對(duì)靜止，相對(duì)靜止， 二者中的鐘、尺標(biāo)度相同二者中的鐘、尺標(biāo)度相同下落：下落：S S 相對(duì)于相對(duì)于SS運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，SS中的觀察中的觀

13、察者認(rèn)為者認(rèn)為S S 中的鐘慢尺縮，相對(duì)速度越大，中的鐘慢尺縮，相對(duì)速度越大，鐘慢尺縮越顯著。鐘慢尺縮越顯著。引力場(chǎng)強(qiáng)越大處引力場(chǎng)強(qiáng)越大處(d ch)(d ch)的鐘越慢、的鐘越慢、豎直尺越短。豎直尺越短。第13頁(yè)/共33頁(yè)第十三頁(yè)，共34頁(yè)。引力場(chǎng)中不同位置處的時(shí)空標(biāo)度不同引力場(chǎng)中不同位置處的時(shí)空標(biāo)度不同 時(shí)空彎曲。時(shí)空彎曲。引力場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)、引力勢(shì)越低處的鐘越慢、徑向尺越短，空間引力場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)、引力勢(shì)越低處的鐘越慢、徑向尺越短，空間曲率越大。曲率越大。 （只有（只有(zhyu)(zhyu)在強(qiáng)引力場(chǎng)中才明顯）在強(qiáng)引力場(chǎng)中才明顯）第14頁(yè)/共33頁(yè)第十四頁(yè)，共34頁(yè)。廣義廣義(gungy)相對(duì)論時(shí)

14、空相對(duì)論時(shí)空觀：觀：時(shí)空時(shí)空(sh kn)是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，性質(zhì)，只有在無(wú)引力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空只有在無(wú)引力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空(sh kn)才是平直的才是平直的（歐幾里（歐幾里德空間），有引力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空德空間），有引力場(chǎng)存在時(shí)，時(shí)空(sh kn)是彎曲的是彎曲的（黎曼（黎曼空間），引力場(chǎng)強(qiáng)度分布與空間曲率分布一一對(duì)應(yīng)?？臻g），引力場(chǎng)強(qiáng)度分布與空間曲率分布一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)用彎曲空間取代引力場(chǎng)后，受引力場(chǎng)作用的質(zhì)點(diǎn)當(dāng)用彎曲空間取代引力場(chǎng)后，受引力場(chǎng)作用的質(zhì)點(diǎn)就成了自由質(zhì)點(diǎn)，沿彎曲空間中的短程線運(yùn)動(dòng)。就成了自由質(zhì)點(diǎn)，沿彎曲空間中的短程線運(yùn)動(dòng)。第15頁(yè)/

15、共33頁(yè)第十五頁(yè)，共34頁(yè)。 自從廣義相對(duì)論出現(xiàn)以來(lái)，不能再自從廣義相對(duì)論出現(xiàn)以來(lái)，不能再把空間時(shí)間看做舞臺(tái)，把物質(zhì)看做演把空間時(shí)間看做舞臺(tái)，把物質(zhì)看做演員；兩者的性質(zhì)如此密切相關(guān)，人們幾員；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乎可以把它們稱作同一種事物的不同名稱。稱。 薛定諤薛定諤（奧地利（奧地利.1887.18871961 1961 ）引力作用使小球運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)引力作用使小球運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)彎曲空間使小球運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)彎曲空間使小球運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)第16頁(yè)/共33頁(yè)第十六頁(yè)，共34頁(yè)。四、廣義相對(duì)論的可觀測(cè)效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)四、廣義相對(duì)論的可觀測(cè)效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)(shyn)驗(yàn)證驗(yàn)證 在

16、加速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)內(nèi)的觀察者看到，光線相對(duì)于升在加速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)內(nèi)的觀察者看到，光線相對(duì)于升降機(jī)走彎曲的路線降機(jī)走彎曲的路線(lxin)(lxin)。由等效原理可知，加速運(yùn)。由等效原理可知，加速運(yùn)動(dòng)的參考系與引力場(chǎng)等效，因此，可以得出：光線在引力動(dòng)的參考系與引力場(chǎng)等效，因此，可以得出：光線在引力場(chǎng)中要發(fā)生偏轉(zhuǎn)。場(chǎng)中要發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1 1、引力使光線偏轉(zhuǎn)、引力使光線偏轉(zhuǎn)4t3t2t1t升降機(jī)升降機(jī)a1t4t3t2taaa第17頁(yè)/共33頁(yè)第十七頁(yè)，共34頁(yè)。日全食時(shí)觀測(cè)恒星日全食時(shí)觀測(cè)恒星(hngxng)(hngxng)視位置與恒星視位置與恒星(hngxng)(hngxng)實(shí)際位置比較，可測(cè)得光線偏

17、折角。實(shí)際位置比較，可測(cè)得光線偏折角。恒星視位置恒星視位置恒星恒星太陽(yáng)太陽(yáng)地球地球月球月球預(yù)言值：預(yù)言值：571 .實(shí)測(cè)值：實(shí)測(cè)值：19191919年年19751975年年010071 .60101761 .第18頁(yè)/共33頁(yè)第十八頁(yè)，共34頁(yè)。原因：原因：一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)十一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)十分之一的超級(jí)天文密暈物分之一的超級(jí)天文密暈物體通過(guò)恒星與地球之間，體通過(guò)恒星與地球之間，恒星光被吸引聚集。恒星光被吸引聚集。類星類星體像體像視在光視在光線線星系或黑洞星系或黑洞視在光視在光線線B現(xiàn)象：現(xiàn)象：一個(gè)恒星突然發(fā)出比平常強(qiáng)一個(gè)恒星突然發(fā)出比平常強(qiáng)7 7倍的光，倍的光， 兩個(gè)月后恢復(fù)正常。兩個(gè)月后恢復(fù)正

18、常。引力透鏡引力透鏡: : 19931993年，美國(guó)、澳大利亞天文小組發(fā)現(xiàn)年，美國(guó)、澳大利亞天文小組發(fā)現(xiàn)“引引力微凸透鏡成象力微凸透鏡成象”第19頁(yè)/共33頁(yè)第十九頁(yè)，共34頁(yè)。19981998年年3 3月英國(guó)用月英國(guó)用“默林默林”射電望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到完整的引力到完整的引力(ynl)(ynl)透鏡成象透鏡成象“愛(ài)因斯坦環(huán)愛(ài)因斯坦環(huán)”第20頁(yè)/共33頁(yè)第二十頁(yè)，共34頁(yè)。2.2.光的引力頻移光的引力頻移( (引力使時(shí)間引力使時(shí)間(shjin)(shjin)膨脹膨脹) )光沿引力場(chǎng)方向傳播光沿引力場(chǎng)方向傳播藍(lán)移藍(lán)移光逆引力場(chǎng)方向傳播光逆引力場(chǎng)方向傳播紅移紅

19、移光源光源探測(cè)器探測(cè)器地球表面地球表面藍(lán)藍(lán)移移紅紅移移在地面上接收到的太陽(yáng)在地面上接收到的太陽(yáng)(tiyng)(tiyng)上某種原子發(fā)光頻率上某種原子發(fā)光頻率比地面比地面上同種原子發(fā)光頻率低。上同種原子發(fā)光頻率低。第21頁(yè)/共33頁(yè)第二十一頁(yè)，共34頁(yè)。年代年代實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)者理論預(yù)言理論預(yù)言19591959AdamAdamBlamontBlamontBranltBranlt1510462 . 610122050521 .塔高塔高實(shí)驗(yàn)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)地地球球引引力力場(chǎng)場(chǎng)太太 陽(yáng)陽(yáng)引力場(chǎng)引力場(chǎng)恒恒 星星引力場(chǎng)引力場(chǎng)/19601960196019601964196419611961196319631971

20、1971天狼星伴星天狼星伴星玻江座玻江座40 40 伴星伴星B BChanshowChanshowPoundPoundRebkaRebkaPoundPoundSniderSniderGreenstemGreenstem12.5m12.5m22.6m22.6m22.5m22.5m太陽(yáng)太陽(yáng)1510361 .5410651082 .610122 .1510462 . 1510361450960 . 1510260572 . 151092400809970 .6102 5107 410050003 .光的引力光的引力(ynl)(ynl)頻移頻移實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)第22頁(yè)/共33頁(yè)第二十二頁(yè)，共34頁(yè)。3.3.行

21、星行星( (水星水星(shuxng) (shuxng) 近近日點(diǎn)的旋進(jìn)日點(diǎn)的旋進(jìn)行理論值理論值觀測(cè)值觀測(cè)值水星水星金星金星地球地球百百年年/.1642 百百年年/.043 百百年年/.8448 百百年年/. 483 百百年年/.21005 百百年年/. 368 18591859年發(fā)現(xiàn)水星軌道不是固定的橢圓，其近日點(diǎn)有附加年發(fā)現(xiàn)水星軌道不是固定的橢圓，其近日點(diǎn)有附加旋進(jìn)，牛頓引力理論無(wú)法解釋，可用廣義相對(duì)論時(shí)空彎旋進(jìn)，牛頓引力理論無(wú)法解釋，可用廣義相對(duì)論時(shí)空彎曲理論解釋。曲理論解釋。第23頁(yè)/共33頁(yè)第二十三頁(yè)，共34頁(yè)。4.4.雷達(dá)回波延遲雷達(dá)回波延遲(ynch)(ynch)效應(yīng)效應(yīng)通過(guò)通過(guò)(

22、tnggu)(tnggu)太陽(yáng)附近的無(wú)線電信號(hào)往返太陽(yáng)附近的無(wú)線電信號(hào)往返時(shí)間增長(zhǎng)。時(shí)間增長(zhǎng)。時(shí)間時(shí)間實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值/ /理論值理論值1968年年地球地球 水星水星地球地球 金星金星地球地球 人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星地球地球火星表面火星表面 海海盜著陸艙盜著陸艙1971年年1977年年90年代年代02. 09 . 005. 002. 104. 000. 1002. 000. 1第24頁(yè)/共33頁(yè)第二十四頁(yè)，共34頁(yè)。5. 引力波引力波1918年年 愛(ài)因斯坦預(yù)言存在引力輻射，愛(ài)因斯坦預(yù)言存在引力輻射，引力波探測(cè)引力波探測(cè)前沿前沿(qinyn)課題。課題。美國(guó)泰勒、赫爾斯發(fā)現(xiàn)脈沖雙星，測(cè)量其脈沖周

23、期和美國(guó)泰勒、赫爾斯發(fā)現(xiàn)脈沖雙星，測(cè)量其脈沖周期和軌道運(yùn)動(dòng)周期，得出由于引力輻射，雙星周期減小率軌道運(yùn)動(dòng)周期，得出由于引力輻射，雙星周期減小率為為 ，與廣義相對(duì)論預(yù)言相符，獲，與廣義相對(duì)論預(yù)言相符，獲1993年年諾貝爾物理獎(jiǎng)。諾貝爾物理獎(jiǎng)。周周/12103 引力波探測(cè)：引力波探測(cè)：左起：左起：泰勒（美泰勒（美.1941）赫爾斯（美赫爾斯（美.1950）第25頁(yè)/共33頁(yè)第二十五頁(yè)，共34頁(yè)。 在在PSR1913PSR19131616區(qū)域的觀測(cè)區(qū)域的觀測(cè)表明，兩個(gè)中子星因發(fā)射引表明，兩個(gè)中子星因發(fā)射引力波失去能量，它們因此以力波失去能量，它們因此以螺旋軌道相互靠近。螺旋軌道相互靠近。引力波探測(cè)站

24、引力波探測(cè)站美國(guó)華盛頓州漢福德的LIGO觀測(cè)站第26頁(yè)/共33頁(yè)第二十六頁(yè)，共34頁(yè)。8.6 8.6 相對(duì)論的意義相對(duì)論的意義(yy)(yy)和局和局限限一一. .相對(duì)論把對(duì)稱性思想提高到作為構(gòu)建物理理論相對(duì)論把對(duì)稱性思想提高到作為構(gòu)建物理理論(lln)(lln)的出發(fā)點(diǎn)的高度的出發(fā)點(diǎn)的高度1.1.表觀上的相對(duì)性蘊(yùn)藏著內(nèi)在的絕對(duì)性表觀上的相對(duì)性蘊(yùn)藏著內(nèi)在的絕對(duì)性長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等的相對(duì)性來(lái)自具有絕對(duì)性的基長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等的相對(duì)性來(lái)自具有絕對(duì)性的基本原理：本原理：物理定律的數(shù)學(xué)形式物理定律的數(shù)學(xué)形式真空中的光速真空中的光速不隨參考系變化不隨參考系變化力學(xué)相對(duì)性力學(xué)相對(duì)性原理原理狹義相對(duì)性狹義相

25、對(duì)性原理原理廣義相對(duì)性廣義相對(duì)性原理原理力學(xué)定律的數(shù)學(xué)形式不隨慣性系變化力學(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)形式不隨參考系變化物理定律的數(shù)學(xué)形式不隨慣性系變化物理定律的數(shù)學(xué)形式不隨慣性系變化對(duì)對(duì)稱稱性性擴(kuò)擴(kuò)展展第27頁(yè)/共33頁(yè)第二十七頁(yè)，共34頁(yè)。2.2.相對(duì)論把對(duì)稱性思想提高到作為相對(duì)論把對(duì)稱性思想提高到作為(zuwi)(zuwi)構(gòu)建物理構(gòu)建物理理論的出發(fā)點(diǎn)的高度理論的出發(fā)點(diǎn)的高度 愛(ài)因斯坦把方法倒了過(guò)來(lái)，他不是愛(ài)因斯坦把方法倒了過(guò)來(lái)，他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存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(diǎn)作在的

26、，而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這一點(diǎn)作為假設(shè)提出來(lái)，并且用它演繹出方程組為假設(shè)提出來(lái)，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式。應(yīng)有的形式。 洛侖茲洛侖茲（荷（荷.1853.18531928 1928 ）愛(ài)因斯坦式的工作程序：愛(ài)因斯坦式的工作程序：科學(xué)觀念科學(xué)觀念原理原理邏輯結(jié)論和邏輯結(jié)論和可觀測(cè)事實(shí)可觀測(cè)事實(shí)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)第28頁(yè)/共33頁(yè)第二十八頁(yè)，共34頁(yè)。4.4.相對(duì)論不變性成為約束其它理論的原則之一，用相對(duì)論不變性成為約束其它理論的原則之一，用以排除、改造不符合以排除、改造不符合(fh)(fh)相對(duì)性原理的規(guī)律。相對(duì)性原理的規(guī)律。3.3.揭示出一些物理量的關(guān)聯(lián)，建立起新的不變量，揭示出一些物理量的關(guān)

27、聯(lián)，建立起新的不變量，更深刻地反映了自然界的對(duì)稱性。更深刻地反映了自然界的對(duì)稱性。四維時(shí)空，質(zhì)能關(guān)系，能量、動(dòng)量關(guān)系四維時(shí)空，質(zhì)能關(guān)系，能量、動(dòng)量關(guān)系 二二. .相對(duì)論改變了人類的觀念相對(duì)論改變了人類的觀念(gunnin)(gunnin)和生活和生活1.1.宇宙觀的發(fā)展宇宙觀的發(fā)展地球是宇宙的中心地球是宇宙的中心地球（太陽(yáng)系、銀河系）是宇宙中特別優(yōu)越的慣性系地球（太陽(yáng)系、銀河系）是宇宙中特別優(yōu)越的慣性系一切慣性系等價(jià)，宇宙無(wú)中心，取消地球的特殊地位一切慣性系等價(jià)，宇宙無(wú)中心，取消地球的特殊地位一切參考系等價(jià)一切參考系等價(jià)第29頁(yè)/共33頁(yè)第二十九頁(yè)，共34頁(yè)。 狹義相對(duì)論時(shí)空觀：狹義相對(duì)論時(shí)空

28、觀： 揭示出時(shí)間、空間彼此關(guān)聯(lián)，并與運(yùn)動(dòng)揭示出時(shí)間、空間彼此關(guān)聯(lián)，并與運(yùn)動(dòng)密不可分，形成四維平直時(shí)空概念：不是密不可分，形成四維平直時(shí)空概念：不是“時(shí)間時(shí)間 + + 空間空間”，而，而是是“時(shí)間時(shí)間 空間空間”統(tǒng)一體。不同慣性系中的觀察者有各自不統(tǒng)一體。不同慣性系中的觀察者有各自不同的時(shí)空觀念，由洛侖茲變換相關(guān)聯(lián)。同的時(shí)空觀念，由洛侖茲變換相關(guān)聯(lián)。絕對(duì)時(shí)空觀：絕對(duì)時(shí)空觀：時(shí)間、空間只是先驗(yàn)框架，它們彼此獨(dú)立，與時(shí)間、空間只是先驗(yàn)框架，它們彼此獨(dú)立，與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。慣性系依托于絕對(duì)時(shí)空，時(shí)間間隔、空間物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。慣性系依托于絕對(duì)時(shí)空，時(shí)間間隔、空間距離的測(cè)量與慣性系的選擇無(wú)關(guān)。距離的測(cè)量與

29、慣性系的選擇無(wú)關(guān)。 廣義相對(duì)論時(shí)空觀：廣義相對(duì)論時(shí)空觀： 時(shí)空不過(guò)是由物質(zhì)分布狀況決定的引力時(shí)空不過(guò)是由物質(zhì)分布狀況決定的引力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，時(shí)空彎曲描述了引力場(chǎng)的分布場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，時(shí)空彎曲描述了引力場(chǎng)的分布弱引力弱引力低速低速2.2.時(shí)空觀、物質(zhì)時(shí)空觀、物質(zhì)(wzh)(wzh)觀觀的深化的深化人類人類(rnli)(rnli)以嶄新觀念探討人與宇宙的關(guān)系，建立人與自以嶄新觀念探討人與宇宙的關(guān)系，建立人與自然和諧發(fā)展的新自然觀然和諧發(fā)展的新自然觀第30頁(yè)/共33頁(yè)第三十頁(yè)，共34頁(yè)。 人們用于描述客體屬性的概念并不完全是客體自人們用于描述客體屬性的概念并不完全是客體自身的實(shí)在性質(zhì)，而是反映了客體與觀察者的某種關(guān)身的實(shí)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(rèn)識(shí)手段和思維方式的限制，人系，均要受到人類認(rèn)識(shí)手段和思維方式的限制，人類對(duì)自然的探索是永無(wú)止境的。類對(duì)自然的探索是永無(wú)止境的。3.3.科學(xué)觀的