《廣義相對論初步》參考課件2

6.3《廣義相對論初步》教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：

（1）了解廣義相對論基本原理廣義相對性原理和等效原理

（2）廣義相對論主要結(jié)論物質(zhì)的引力使光線彎曲和強引力場附近的時間進(jìn)程會變慢

（3）介紹廣義相對論的實驗驗證過程與方法：

了解愛因斯坦思考和推演廣義相對論思維過程情感態(tài)度和價值觀：

體會在宇宙中人類的渺小和科學(xué)的巨大力量教學(xué)重點、難點：

1、廣義相對性原理和等效原理 2、廣義相對論的主要結(jié)論：引力使光線彎曲和強引力場附近的時間進(jìn)程會變慢相對論簡介

19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認(rèn)識到了光的電磁本質(zhì)．我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn)．相對論不僅給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對于時間和空間的認(rèn)識，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上樹立了一座重要的里程碑．一、廣義相對論的基本原理1、廣義相對性原理：在任何參考系(包括非慣性系)中物理定律都是相同的。伽利略相對性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系都是相同的愛因斯坦狹義相對性原理(1905年)

在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都有是相同的；

愛因斯坦廣義相對論原理（1916年）在任何參考系中(包括非慣系）所有的物理規(guī)律都是相同的，稱為廣義相對性原理。邏輯形式逐漸簡約2、等效原理：勻加速參考系中的慣性力場與均勻引力場不可區(qū)分。

引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別．

對于高速轉(zhuǎn)動的圓盤，除了轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點都在做加速運動，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心．

地面上看到：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(jìn)程較慢．

圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，引力勢較低，得出：引力勢較低的位置，時間進(jìn)程比較慢．二、廣義相對論的時空結(jié)構(gòu)

引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別．

地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大．根據(jù)狹義相對論，靠近邊緣部位的桿的長度較短．

圓盤上的人認(rèn)為：引力勢較低的位置，桿的長度越短．桿的長度與引力場有關(guān)引力勢由高到低變化桿的長度與引力場有關(guān)

由于物質(zhì)的存在，實際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：對于時空觀的認(rèn)識物質(zhì)本身的存在決定時空的性質(zhì)時空性質(zhì)和物質(zhì)的運動有關(guān)狹義相對論廣義相對論慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)時空觀光速恒定等效原理廣義相對論與幾何學(xué)

幾何學(xué)反應(yīng)的是人對空間關(guān)系的認(rèn)識．有史以來人們只在比較小的空間尺度中接觸比較弱的引力場．這種情況下空間的彎曲可以忽略，在此基礎(chǔ)上人類發(fā)展了歐幾里得幾何學(xué)，它反映了平直空間的實際．廣義相對論告訴我們實際空間是彎曲的，因此描述實際空間的應(yīng)該是更具有一般意義的非歐幾何．作為非歐幾何的特例，歐幾里得幾何學(xué)在它的適用范圍內(nèi)仍是正確的，還將繼續(xù)發(fā)揮作用．

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。三、廣義相對論的實驗檢驗1、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，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）

飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）2、通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是對廣義相對論的最早證實．3.透鏡效應(yīng)

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)．星體星體無法觀測黑洞

宇宙中很可能存在黑洞，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，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一．各類星體對比

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(jìn)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)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移．4、引力紅移狹義、廣義相對論比較狹義相對論廣義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的

一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛因斯坦相對性原理廣義相對性原理對于時空觀的認(rèn)識物質(zhì)本身的存在決定時空的性質(zhì)時空性質(zhì)和物質(zhì)的運動有關(guān)狹義相對論廣義相對論慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)時空觀光速恒定等效原理

如果在一個參考系中牛頓定律能夠成立，這個參考系稱作慣性參考系，牛頓運動定律不能成立的參考系則是非慣性參考系．在不同參考系中觀察物體的運動情況非慣性系和慣性系非慣性系和慣性系

以車廂為參考系，當(dāng)列車加速運行時，小球會相對于車廂加速向后運動．光滑表面非慣性系和慣性系加速運動的列車是個非慣性參考系為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力．光滑表面非慣性系和慣性系牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式“－”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反．注意不要混淆非慣性系和慣性系

以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘坐電梯的人除了受到重力的作用，還受到一個向下的慣性力，重力和慣性力的合力使人感受到了超重．21世紀(jì)，人類在空間站中長期生活，為了克服失重帶來的不利影響，可以將空間站設(shè)計成一個大轉(zhuǎn)輪，繞軸自轉(zhuǎn)，其上各點都有一個指向轉(zhuǎn)動軸的向心加速度，因此，以空間站為參考系，與它一起旋轉(zhuǎn)的物體都受到一個背離轉(zhuǎn)動軸的慣性力，這就是所謂的人造重力．非慣性系和慣性系慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量地面靜止加速飛行引力和慣性力都可以使物體加速下落引力質(zhì)量慣性質(zhì)量廣義相對論簡介牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式“－”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反．注意不要混淆“m”應(yīng)該叫做慣性質(zhì)量．慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量

事實上，到目前為止的一切實驗研究都沒有找到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的差別，這向我們提示：加速運動的參考系和萬有引力，二者之間可能存在某種深刻的聯(lián)系．廣義相對論簡介狹義相對論廣義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的

一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛因斯坦相對性原理廣義相對性原理

廣義相對論的兩個基本原理可以得出一些意想不到的結(jié)論．廣義相對論簡介廣義相對論簡介

在一個引力可以忽略的宇宙空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運動，船上的觀察者記錄光的徑跡是一條拋物線．半透明屏光源等效原理物體的引力能使光線彎曲

假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個巨大的物體，在它的引力場作用下，飛船內(nèi)的物理過程受到影響．

通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽

由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．

1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分