廣義相對論宇宙學(xué)與天體物理

廣義相對論宇宙學(xué)與天體物理第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、

狹義相對論的兩個遺留問題二、廣義相對論的理論基礎(chǔ)1.等效原理

（解決萬有引力與參考系的矛盾）2.引力場方程（解決萬有引力與狹義相對論不相容）3.廣義協(xié)變性原理（將關(guān)系系規(guī)律推廣至任何參考系）三、廣義相對論預(yù)言現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

廣義相對論簡介返回上級目錄返回主目錄上一頁下一頁《力學(xué)》電子教案第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、宇宙的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與年齡二、宇宙的統(tǒng)一整體性---宇宙學(xué)原理三、宇宙在膨脹---哈勃定律與奧勃斯佯謬四、宇宙的起源---大爆炸理論模型五、暗物質(zhì)與暗能量六、恒星的演化七、發(fā)光星體的觀測分類宇宙學(xué)與天體物理初步返回上級目錄返回主目錄上一頁下一頁《力學(xué)》電子教案第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日狹義相對論的兩個遺留問題

萬有引力與慣性參考的矛盾自然界中廣泛存在萬有引力，真正的慣性系在哪？

2.經(jīng)典萬有引力表達(dá)式與狹義相對論不相容（1）萬有引力表達(dá)式意味著引力傳播的超距作用（2）萬有引力在洛倫茲變化下不具有協(xié)變性返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日等效原理1.等效原理

（動畫演示）就質(zhì)點(diǎn)力學(xué)而言，一個加速參考系內(nèi)的慣性力場同一個均勻的引力場等效，一個非慣性系就可以等效為慣性系2.慣性系與局部慣性系等效原理表明，在引力場均勻的區(qū)域，用變換到一個加速參考系的方法可使引力場“變換掉”，成為嚴(yán)格的慣性系。如果引力場整體不均勻，慣性力不能完全抵消掉引力，但在局部范圍內(nèi)，近似認(rèn)為慣性力與引力產(chǎn)抵消-----局部慣性系返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日引力場方程1.由萬有引力定律到引力場方程的改造萬有引力定律改造成泊松方程，以張量表述，得到普適的規(guī)律---引力場方程，滿足協(xié)變性原理2.由經(jīng)典的引力場到近代時空結(jié)構(gòu)的理解經(jīng)典意義上產(chǎn)生的引力場，對應(yīng)物質(zhì)所決定的時間和空間的幾何結(jié)構(gòu)。舉例，測地線方程：慣性直線運(yùn)動，行星的彎曲運(yùn)動（1919年，愛因斯坦對9歲的兒子愛德華：“你看見沒有，當(dāng)瞎眼的蟲子沿球面爬行的時候，它沒有發(fā)現(xiàn)它爬過的路徑是彎曲的，而我有幸地發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)”）3.引力場（彎曲時空中）的坐標(biāo)鐘與坐標(biāo)尺（與無引力場比）引力場使時鐘變慢，空間距離變長返回主目錄上一頁下一頁《力學(xué)》電子教案第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回主目錄返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日廣義協(xié)變性原理

廣義協(xié)變性原理—將慣性系的規(guī)律推廣至任何從參考系把狹義相對論方程中有關(guān)的物理量和微分關(guān)系（如對時間的微分等）改換為相應(yīng)的廣義張量，在局部洛倫茲坐標(biāo)變換下，其規(guī)律適用一切坐標(biāo)系。狹義相對論與廣義相對論的總體概述

狹義相對論：慣性參考系之間的時空和物理定律的變換規(guī)律。廣義相對論：物質(zhì)如何影響時空結(jié)構(gòu)（引力場方程）

其他物質(zhì)在該時空結(jié)構(gòu)中如何運(yùn)動（等效原理、廣義協(xié)變性原理）狹義相對論寫出了多個小片段的“腳本”，而廣義相對論，即由物質(zhì)質(zhì)量和分布所決定的時空幾何則是“整出戲的總編劇”。

返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日預(yù)言現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證引力時間延緩---引力紅移時空彎曲---水星軌道進(jìn)動光線偏折---星體位置偏移

光速減慢---雷達(dá)回波延遲黑洞----未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)廣義相對論預(yù)言現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證廣義相對論基礎(chǔ)原理返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄引力波與引力子《力學(xué)》電子教案第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日光線偏折—星體位置偏移

光線偏折：等效原理解釋

實(shí)驗(yàn)證據(jù)：星體位置偏移

返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日引力使時鐘變慢：由引力場方程導(dǎo)出對應(yīng)波長紅移實(shí)驗(yàn)證據(jù)：星體位置偏移

引力時間延緩---引力紅移

無限遠(yuǎn)觀察者星體返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日時空彎曲—水星軌道進(jìn)動

時空彎曲：引力場方程導(dǎo)出

實(shí)驗(yàn)證據(jù)：水星軌道進(jìn)動

無限遠(yuǎn)觀察者星體動畫演示返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日光速減慢---雷達(dá)回波延遲光速減慢：引力場方程導(dǎo)出

實(shí)驗(yàn)證據(jù)：雷達(dá)回波延遲

地球太陽星體無限遠(yuǎn)觀察者星體返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日黑洞---未被證實(shí)的現(xiàn)象史瓦西半徑

無限遠(yuǎn)觀察者星體物質(zhì)所發(fā)出光相對于遠(yuǎn)處觀察者趨向于零，無法獲得直接觀測數(shù)據(jù)，而只能靠物質(zhì)的巨大引力場使人們感知它的存在！返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日引力子與引力波

上一頁下一頁返回主目錄返回上級目錄《力學(xué)》電子教案第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日宇宙的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與年齡宇宙結(jié)構(gòu)銀河系●上千億個河外星系星體：黑洞、中子星、恒星、白矮星、行星、衛(wèi)星等等星際物質(zhì)：星際氣體、塵埃、星云、星際磁場、暗物質(zhì)、暗能量等等宇宙空間距離上限:200億光年宇宙時間年齡上限：100至200億年。太陽系的年齡大約：45億至50億年動畫演示返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日宇宙的統(tǒng)一整體性---宇宙學(xué)原理托勒密地心說：地球是宇宙中心哥白尼日心說：太陽是宇宙中心宇宙學(xué)原理：宇宙中沒有任何一點(diǎn)具有優(yōu)越性，所有位置都是平權(quán)的返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日宇宙在膨脹上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日宇宙的起源上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日圖12.8-1返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日暗物質(zhì)與暗能量上一頁下一頁返回主目錄《力學(xué)》電子教案第二十五頁，共二十八頁，20