廣義相對論簡介

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1、廣義相對論簡介　　廣義相對性原理和等效原理?狹義相對論認(rèn)為，在不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的．愛因斯坦在此基礎(chǔ)上又向前邁進(jìn)了一大步，認(rèn)為在任何參考系中（包括非慣性系）物理規(guī)律都是相同的，這就是廣義相對性原理．　　下面介紹廣義相對論的另一個(gè)基本原理．???假設(shè)宇宙飛船是全封閉的，宇航員和外界沒有任何聯(lián)系，那么他就沒有任何辦法來判斷，使物體以某一加速度下落的力到底是引力還是慣性力．實(shí)際上，不僅是自由落體的實(shí)驗(yàn)，飛船內(nèi)部的任何物理過程都不能告訴我們，飛船到底是在加速運(yùn)動，還是停泊在一個(gè)行星的表面．這里談到的情景和本章第一節(jié)所述伽利略大船中的情景十分相似．這

2、個(gè)事實(shí)使我們想到：一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動的參考系等價(jià)．愛因斯坦把它作為廣義相對論的第二個(gè)基本原理，這就是著名的等效原理．???從這兩個(gè)基本原理出發(fā)可以直接得出一些意想不到的結(jié)論．　　假設(shè)在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(yùn)動，一束光垂直于運(yùn)動方向射入這艘飛船．船外靜止的觀察者當(dāng)然會看到這束光是沿直線傳播的，但是飛船中的觀察者以飛船為參考系看到的卻是另外一番情景．為了記錄光束在飛船中的徑跡，他在船中等距離地放置一些半透明的屏（如圖），光可以透過這些屏，同時(shí)在屏上留下光點(diǎn)．由于飛船在前進(jìn)，光到達(dá)下一屏的位置總會比到達(dá)上一展的位置更加靠

3、近船尾．如果飛船做勻速直線運(yùn)動，光在任何相鄰兩屏之間飛行時(shí)，飛船前進(jìn)的距離都相等，飛船上的觀察者看到光的徑跡仍是一條直線（如圖中的虛線），盡管直線的方向與船外靜止觀察者看到的直線方向不一樣．如果飛船做勻加速直線運(yùn)動，在光向右傳播的同時(shí)，飛船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（如圖中的實(shí)線）．???根據(jù)等效原理，飛船中的觀察者也完全可以認(rèn)為飛船沒有加速運(yùn)動，而是在船尾方向存在一塊巨大的物體，它的引力場影響了飛船內(nèi)的物理過程．因此我們得出結(jié)論：物體的引力能使光線彎曲．???通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)初只能觀測到太陽引力場引起的光線

4、彎曲．由于太陽引力場的作用，我們有可能看到太陽后面的恒星（如圖）．但是，平時(shí)的明亮天空使我們無法觀星，所以最好的時(shí)機(jī)是發(fā)生日全食的時(shí)候．1919年5月29日恰好有一次日全食，兩支英國考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，其結(jié)果完全證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言．這是廣義相對論的最早的驗(yàn)證．　　如圖的現(xiàn)象表明，星球的強(qiáng)引力場能使它背后傳來的光線會聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)．宇宙中很可能存在著黑洞，黑洞不輻射電磁波，因此無法直接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使它附近具有極強(qiáng)的引力場，所以引力透鏡效應(yīng)是探索黑洞的途徑之一．???時(shí)間間隔與引力場有關(guān)?引力場的存在使得空間不同

5、位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別．　　我們考察一個(gè)轉(zhuǎn)動的巨大圓盤（如圖）．從地面上看，圓盤上除轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心．從地面上還會看到，越是靠近邊緣的點(diǎn)，速度越大．根據(jù)狹義相對論，同一個(gè)過程，越是發(fā)生在靠近邊緣的位置，這個(gè)過程所持續(xù)的時(shí)間就越長．或者說，靠近邊緣位置的時(shí)間進(jìn)程比較緩慢．???現(xiàn)在再以圓盤本身為參考系研究這個(gè)現(xiàn)象．圓盤上的人認(rèn)為，盤上存在著一個(gè)引力場，方向由盤心指向邊緣．既然靠近邊緣位置的時(shí)間進(jìn)程比較緩慢，盤上的人就可以得出結(jié)論：在引力勢較低的位置，時(shí)間進(jìn)程比較慢．???宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻

6、不小，叫做矮星．矮星表面的引力很強(qiáng)，引力勢比地球表面低得多．矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，那里的原子發(fā)光的頻率比同種原子在地球上發(fā)光的頻率低，看起來偏紅．這個(gè)現(xiàn)象叫做引力紅移，已經(jīng)在天文觀測中得到證實(shí)．現(xiàn)代技術(shù)也能夠在地球上驗(yàn)證引力紅移．???桿的長度與引力場有關(guān)?仍然考察轉(zhuǎn)動的圓盤．同樣的桿，放在盤上的不同位置，它們隨盤運(yùn)動的速度就不一樣，根據(jù)狹義相對論，它們的長度也就不一樣，越是靠近邊緣，桿就越短．盤上的人也觀察到了這種差別，不過他以圓盤為參考系，認(rèn)為盤是靜止的，同時(shí)他還認(rèn)為盤上各點(diǎn)存在著指向圓盤邊緣的引力，因此他得出結(jié)論：引力勢越低的位置，桿的長度越短．　　

7、桿的長度和引力場的分布有關(guān)，這個(gè)現(xiàn)象反映出這樣的事實(shí)，即由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，這和我們過去的觀念有很大的差別．打個(gè)比方，一塊布上面的格子是整齊的（如圖甲），如果用手向下壓，格子就彎曲了（如圖乙）．物理學(xué)借用了“彎曲”這個(gè)詞，通常說，由于物質(zhì)的存在，實(shí)際的空間是彎曲的．　　行星沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)動，有時(shí)離太陽近些，有時(shí)遠(yuǎn)些．太陽的巨大質(zhì)量使它周圍的空間發(fā)生彎曲，其結(jié)果是，行星每公轉(zhuǎn)一周它的軌道的長軸都比上一個(gè)周期偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)現(xiàn)象叫做行星軌道的進(jìn)動．理論分析表明只有水星軌道的進(jìn)動比較顯著，達(dá)到約每世紀(jì)0.01°．這個(gè)現(xiàn)象早在廣義相對論出現(xiàn)之前

8、就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只是無法解釋，所以它實(shí)際是