廣義相對論宇宙學與天體物理

廣義相對論宇宙學與天體物理第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

狹義相對論的兩個遺留問題二、廣義相對論的理論基礎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

（將關系系規(guī)律推廣至任何參考系）三、廣義相對論預言現(xiàn)象與實驗驗證

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》電子教案第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、宇宙的物質結構與年齡二、宇宙的統(tǒng)一整體性---宇宙學原理三、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、暗物質與暗能量六、恒星的演化七、發(fā)光星體的觀測分類宇宙學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》電子教案第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月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)典萬有引力表達式與狹義相對論不相容（1）萬有引力表達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》電子教案第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月等效原理1.等效原理

（動畫演示）就質點力學而言，一個加速參考系內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，近似認為慣性力與引力產(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》電子教案第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月引力場方程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構的理解經(jīng)典意義上產(chǎn)生的引力場，對應物質所決定的時間和空間的幾何結構。舉例，測地線方程：慣性直線運動，行星的彎曲運動（1919年，愛因斯坦對9歲的兒子愛德華：“你看見沒有，當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”）3.引力場（彎曲時空中）的坐標鐘與坐標尺（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》電子教案第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁下一頁返回主目錄返回上級目錄《力學》電子教案第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月廣義協(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的物理量和微分關系（如對時間的微分等）改換為相應的廣義張量，在局部洛倫茲坐標變換下，其規(guī)律適用一切坐標系。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：物質如何影響時空結構（引力場方程）

其他物質在該時空結構中如何運動（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，即由物質質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》電子教案第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月預言現(xiàn)象與實驗驗證引力時間延緩---引力紅移時空彎曲---水星軌道進動光線偏折---星體位置偏移

光速減慢---雷達回波延遲黑洞----未被實驗證實廣義相對論預言現(xiàn)象與實驗驗證廣義相對論基礎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》電子教案第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月光線偏折—星體位置偏移

光線偏折：等效原理解釋

實驗證據(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》電子教案第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月引力使時鐘變慢：由引力場方程導出對應波長紅移實驗證據(jù)：星體位置偏移

引力時間延緩---引力紅移

無限遠觀察者星體返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學》電子教案第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月時空彎曲—水星軌道進動

時空彎曲：引力場方程導出

實驗證據(jù)：水星軌道進動

無限遠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》電子教案第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月光速減慢---雷達回波延遲光速減慢：引力場方程導出

實驗證據(jù)：雷達回波延遲

地球太陽星體無限遠觀察者星體返回主目錄上一頁下一頁返回上級目錄《力學》電子教案第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月黑洞---未被證實的現(xiàn)象史瓦西半徑

無限遠觀察者星體物質所發(fā)出光相對于遠處觀察者趨向于零，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》電子教案第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月引力子與引力波

上一頁下一頁返回主目錄返回上級目錄《力學》電子教案第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙的物質結構與年齡宇宙結構銀河系●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：星際氣體、塵埃、星云、星際磁場、暗物質、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》電子教案第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙的統(tǒng)一整體性---宇宙學原理托勒密地心說：地球是宇宙中心哥白尼日心說：太陽是宇宙中心宇宙學原理：宇宙中沒有任何一點具有優(yōu)越性，所有位置都是平權的返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙在膨脹上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙的起源上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12.8-1返回上級目錄上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質與暗能量上一頁下一頁返回主目錄《力學》電子教案第25頁，課件共28