廣義相對論簡介.ppt

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1、狹義相對論的缺陷：?承認慣性系的特殊地位。?不能建立令人滿意的引力理論。愛因斯坦的思考1、非慣性系與慣性系平權(quán)?2、時空與物質(zhì)有關(guān)?突破(對慣性和引力的思考)廣義相對論牛頓的引力論超越了廣義相對論簡介generaltheoryofrelativity一、非慣性系與慣性力在非慣性系中,經(jīng)典力學(xué)定律不再成立.在地面觀測者(慣性系S)看來,m受力在轉(zhuǎn)盤上的觀測者(相對轉(zhuǎn)盤靜止,非慣性系S’)看來,m受力但并沒有產(chǎn)生加速度.在非慣性系中定義虛擬力：慣性力為了在非慣性系中也能利用經(jīng)典力學(xué)定律建立方程則非慣性系中

2、的牛頓定律形式為：注意：1、上式表面上是非慣性系的，實質(zhì)上是慣性系的變形而已當物體相對非慣性系保持靜止時，因此在非慣性系中定義虛擬力：慣性力則非慣性系中的牛頓定律形式為：注意：上式表面上是非慣性系的，實質(zhì)上是慣性系的變形而已2、慣性力是一個虛擬的力，沒有施力的物體，也沒有反作用力;它不是物體間作用力,而只是非慣性系加速度的反映.3、引入慣性力，在非慣性系中可用慣性力來解釋現(xiàn)象。ABmAa0mBa0F彈a0A物體因受慣性力而向后作加速運動，而B物體因彈性力與慣性力平衡而靜止。二、等效原理慣性質(zhì)量與引力質(zhì)

3、量在大約10-8的相對精度內(nèi)，兩者相等。引力場和加速度的效應(yīng)等價。等效原理：一個均勻的引力場與一個勻加速運動的非慣性系等效。引力場與加速度系統(tǒng)等效性說明判斷:(1)可能密封艙在自由空間（無引力作用）以a=g加速向上所致。假設(shè)：在一個與外界隔絕的宇宙飛船中的密封艙內(nèi)宇航員放開手中小球。結(jié)果：小球以g加速下落。慣性力自由空間引力地球假想實驗一（2）可能密封艙停在地面，小球受引力所致。引力場與加速度系統(tǒng)等效性說明判斷:(1)可能密封艙在自由空間（無引力作用）勻速直線運動所致。假設(shè)在一個與外界隔絕的宇宙飛船中

4、的密封艙內(nèi),宇航員放開手中小球,結(jié)果小球浮在空中不動自由空間慣性力引力地球假想實驗二（2）可能密封艙在引力場中自由下落，小球受向下的引力和向上的慣性力,二力平衡。結(jié)論:慣性力與引力等效或引力場與加速場等效?局域等效?等效并非等同廣義相對論的等效原理equivalenceprinciple?局域內(nèi)加速參考系與引力場的一切物理效應(yīng)等效三、廣義相對論原理與時空彎曲廣義相對性原理principleofgeneralcovariance(廣義協(xié)變性原理):一切參考系都是平權(quán)的,物理學(xué)定律在所有的參考系中都具有相

5、同的數(shù)學(xué)形式.非慣性系里的時空S'系，一個非慣性系。繞轉(zhuǎn)軸以半徑r作一圓周。所有點都靜止。S系，一個慣性系。所有點沿切線方向運動。小結(jié)?廣義相對論基本原理1)等效原理2)相對性原理時空性質(zhì)由物質(zhì)及其運動所決定根據(jù)等效原理，在S系看來在轉(zhuǎn)動的非慣性系中，圓的周長s'>2?r'非慣性系的空間是彎曲的。系：與盤邊緣點相連的局慣系根據(jù)等效原理轉(zhuǎn)動參考系等效為引力場引力場強是結(jié)論引力場中空間彎曲愈強彎曲愈烈彎曲空間的概念平面是二維平直空間測地線是弧線由測量判定空間測地線是直線球面是二維彎曲空間測地線兩點間的極值

6、線測地線測量結(jié)果內(nèi)角和圓周長><圓周率=?圓周率?1.引力使光線偏轉(zhuǎn)恒星虛像恒星太陽人眼位置引力的作用1)空間彎曲2)光線偏離測地線1919年5月29日測恒星光線受太陽引力偏折理論上：四、廣義相對論的可觀測效應(yīng)固有時與真實距離某處的固有時由靜止在該處的標準鐘測得的時間間隔某處真實距離由靜止在該處的標準尺測得的空間間隔剛性微分尺2.引力時間延緩在無引力的地方,有一系列的完全一樣的剛性微分尺,然后把它們分別放到引力場中的各個時空點,稱各地的標準尺在無引力的地方,有一系列的走時完全一樣的鐘,然后把它們分別放

7、到引力場中的各個時空點,稱各地的標準鐘.標準時間標準長度無引力影響的時間和長度標準鐘標準尺無限遠處引力為0平直空間場各處引力不同空間時間各處不同r無限遠遠離引力場處系的確定時空點處的標準鐘C?測得的是原時同樣在確定的時空點的標準尺測的是原長原時原長設(shè)r無限遠遠離引力場處弱引力場牛頓近似飛來慣性系S到達r處的速度由下式定出1)愛因斯坦假設(shè)--鐘和尺的性形只與速度有關(guān)與加速度無關(guān)4)時空與物質(zhì)分布有關(guān)r處引力勢r處的觀測時r鄰域的運動長度2)雙生子中誰年輕？引力場愈強鐘愈慢3)空間彎曲引力場愈強尺縮愈烈討

8、論光的引力紅移從星球表面r=R處發(fā)出固有周期的光子,我們從遠處看的周期引力紅移效應(yīng)紅移z定義引力紅移gravitationalredshift若太陽發(fā)光引力時緩尺縮效應(yīng)及引力紅移遠離引力中心的地方觀察引力場中發(fā)生在不同地點的同一物理過程，引力場越強的地方，觀測時間越慢，空間距離越短，即引力的時緩尺縮效應(yīng)越顯著。物質(zhì)光譜周期變長，頻率發(fā)生變化引力紅移結(jié)論牛頓理論：行星的軌道是嚴格閉合的橢圓觀測表明：行星的軌道并不嚴格閉合,它們的近日點存在進動現(xiàn)象，即橢圓的