1、15.4广义相对论简介阅读思考题阅读思考题1 1、狭义相对论遇到哪两个无法解决的、狭义相对论遇到哪两个无法解决的问题？问题？2 2、广义相对论的两个基本原理是什么？、广义相对论的两个基本原理是什么？与狭义相对论的两个假设有什么不与狭义相对论的两个假设有什么不同？同？3 3、根据广义相对论的两个基本原理可、根据广义相对论的两个基本原理可以导出那些重要结论？以导出那些重要结论？一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考 爱因斯坦思考狭义相对论无法解爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：决的两个问题：1 1、引力问题、引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对万有引力定律无法纳人狭义相对论的理
2、论框架；论的理论框架；2 2、非惯性系问题、非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系，为狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系具有这样的地位？狭义什么惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释相对论无法解释 二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1 1、广义相对性原理：、广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。在任何参考系中，物理规律都是相同的。伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在在任何惯性系任何惯性系都是都是相同相同的的爱因斯坦狭义相对性原理在爱因斯坦狭义相对性原理在不同的惯性参考不同的惯性参考系系中，中，一切物理规律一切物理规律都有是都有是相同相同
3、的；的；爱因斯坦广义相对论原理爱因斯坦广义相对论原理在在任何参考系中任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律包括非惯系）所有的物理规律都都是是相同相同的，称为广义相对性原理。的，称为广义相对性原理。2 2、等效原理：、等效原理：一个一个均匀均匀的引力场与一个做的引力场与一个做匀匀加速加速运动的参考系等价。运动的参考系等价。如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系在不同参考系中观察物体的运动情况非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动aa光滑表面非惯性系和惯性系加速运动的列车
4、是个非惯性参考系a a为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立，引入惯性力maFi光滑表面非惯性系和惯性系牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式maFimaF “”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反注意不要混淆非惯性系和惯性系以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重aamaG21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度，因此，以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力非
5、惯性系和惯性系惯性质量和引力质量地面静止加速飞行a引力和惯性力都可以使物体加速下落引力质量惯性质量广义相对论简介牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式maFimaF “”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反注意不要混淆 “m”应该叫做惯性质量惯性质量和引力质量 事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别，这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深刻的联系广义相对论简介狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的 任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的 一个均匀的引力场与一个做匀
6、加速运动的参考系等价更进一步等效原理光速恒定爱因斯坦相对性原理广义相对性原理 广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论广义相对论简介广义相对论简介 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线a半透明屏光源等效原理物体的引力能使光线弯曲 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响广义相对论简介通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分
7、赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实广义相对论简介星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应星体星体无法观测黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别 对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘
8、，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢各类星体对比宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别 地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短杆的长度与引力场有关引力势由高到低变化杆的长度与引力场有关 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：对于时空观的认识物质本身的存在决定时空的性质时空性质和物质的运动有关狭义相对论广义相对论惯性系平权所有参考系平权时空观光速恒定等效原理广义相对论与几何学 几何学反应的是人对空间关系的认识有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何 作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用
