广义相对论简介.pptx

引力场与加速度系统等效性说明引力场与加速度系统等效性说明实验：宇航员放开手中小球。实验：宇航员放开手中小球。结果：小球以结果：小球以g加速下落。加速下落。判断判断:(1):(1)由于密封舱在太空（无引力作用）以由于密封舱在太空（无引力作用）以a=g 加速向上所致。加速向上所致。（2 2）由于密封舱停在地面，小球受引力所致。）由于密封舱停在地面，小球受引力所致。等效原理：一个均匀的引力场与一个匀加速运动的等效原理：一个均匀的引力场与一个匀加速运动的 非惯性系等效。非惯性系等效。假设：在一个与外界隔绝的宇宙飞船中的密封舱内假设：在一个与外界隔绝的宇宙飞船中的密封舱内2 2、等效原理和广义相对性原理等效原理和广义相对性原理等效原理：等效原理：在一个相当小的在一个相当小的时空范围时空范围内，不可能不可内，不可能不可能能通过实验通过实验来区分引力与惯性力，它们是等效的。来区分引力与惯性力，它们是等效的。弱等效原理：弱等效原理：只限于力学实验中引力和惯性力等效，只限于力学实验中引力和惯性力等效，这种等效性较弱。这种等效性较弱。强等效原理：强等效原理：只不仅限于力学实验，还要求任何物理只不仅限于力学实验，还要求任何物理实验，如电磁实验、光学实验等等都不能区分引力和实验，如电磁实验、光学实验等等都不能区分引力和惯性力，这种等效性很强。惯性力，这种等效性很强。广义相对性原理：广义相对性原理：物理学定律在所有的参考系中都物理学定律在所有的参考系中都是等价的，也就是说所有的参考系都是平权的。是等价的，也就是说所有的参考系都是平权的。3 3、局域惯性系、局域惯性系 在引力场空间任何一个局域的小范围内，总可以在引力场空间任何一个局域的小范围内，总可以把它近似看作是均匀的，而找到一个相对于它作加速把它近似看作是均匀的，而找到一个相对于它作加速运动的参考系，其中运动的参考系，其中引力与惯性力刚好相消引力与惯性力刚好相消。这种局。这种局域范围内消去引力场的参考系称为域范围内消去引力场的参考系称为局域惯性参考系局域惯性参考系。用严格的数学语言来表述，局域惯性系是一个无用严格的数学语言来表述，局域惯性系是一个无限小的区域。实际上这样的空间是相当大的，只要把限小的区域。实际上这样的空间是相当大的，只要把引力场强引力场强g看作常量的区域都成立。看作常量的区域都成立。非惯性系里的时空非惯性系里的时空S系，一个非惯性系。系，一个非惯性系。绕转轴以半径绕转轴以半径r作一圆周。作一圆周。所有点都静止。所有点都静止。S系，一个惯性系。系，一个惯性系。所有点沿切线方向运动。所有点沿切线方向运动。二、空间弯曲二、空间弯曲1、弯曲空间的几何与短程线、弯曲空间的几何与短程线根据等效原理，在根据等效原理，在S系看来系看来在转动的非惯性系中，圆的周长在转动的非惯性系中，圆的周长 s 2 r非惯性系的空间是弯曲的。非惯性系的空间是弯曲的。1、光线的引力偏转、光线的引力偏转A金星金星B地球地球C火星火星太阳系附近，引力场很大，太阳系附近，引力场很大，光线偏转。光线偏转。三角形内角和大于三角形内角和大于1800结论：太阳周围的空间是弯结论：太阳周围的空间是弯曲的，并且具有正曲率。曲的，并且具有正曲率。光线在引力场中发生了偏转，光线在引力场中发生了偏转，或者引力场中的空间是弯曲的。或者引力场中的空间是弯曲的。三、广义相对论的实验验证三、广义相对论的实验验证光线的引力偏转光线的引力偏转太阳将使在它表面通过的光线偏转太阳将使在它表面通过的光线偏转1.75角度角度恒星虚像恒星虚像恒星恒星太阳太阳人眼位置人眼位置2、引力红移引力红移 远离引力中心的地方观察引力场中发生在不同远离引力中心的地方观察引力场中发生在不同地点的同一物理过程，引力场越强的地方，观测时地点的同一物理过程，引力场越强的地方，观测时间越慢，空间距离越短，即引力的时缓尺缩效应越间越慢，空间距离越短，即引力的时缓尺缩效应越显著。显著。引力场中光速变慢引力场中光速变慢引力红移引力红移 广义相对论的时空是一个由三维空间和一维广义相对论的时空是一个由三维空间和一维时间组成的黎曼空间时间组成的黎曼空间(时空弯曲时空弯曲)。物质光谱周期变长，频率发生变化物质光谱周期变长，频率发生变化3、水星近日点进动水星近日点进动牛顿理论：行星的轨道是严格闭合的椭圆牛顿理论：行星的轨道是严格闭合的椭圆观测表明：行星的椭圆轨道存在进动现象，观测表明：行星的椭圆轨道存在进动现象，即椭圆的长轴也缓慢转动。即椭圆的长轴也缓慢转动。广义相对理论：广义相对理论：太阳附近的时空连续系统的弯曲性质，太阳附近的时空连续系统的弯曲性质，必然引起水星轨道产生进动。必然引起水星轨道产生进动。牛顿力学预言水星进动牛顿力学预言水星进动5557.62水星进动实际观测值水星进动实际观测值5600.73广义相对论理论预言水星进动每世纪有广义相对论理论预言水星进动每世纪有43.03雷达回波延迟雷达回波延迟用雷达向水星和金星发射电磁波用雷达向水星和金星发射电磁波1、雷达波经过太阳附近时测往返时间、雷达波经过太阳附近时测往返时间 t12、雷达波不经过太阳附近时测往返时间、雷达波不经过太阳附近时测往返时间 t2表明表明：太阳引力场引起时间延缓效应：太阳引力场引起时间延缓效应四、四、黑洞黑洞对黑洞的预言是广义相对论的杰作对黑洞的预言是广义相对论的杰作史瓦西半径（引力半径）史瓦西半径（引力半径）发现：在这个奇异的球面上发生一个物理过程，发现：在这个奇异的球面上发生一个物理过程，从很远地方观察，则它的时间趋于无限长，从很远地方观察，则它的时间趋于无限长，频率等于零，光速也变为零。频率等于零，光速也变为零。这个奇异球面对远处的观测者完全是黑的。这个奇异球面对远处的观测者完全是黑的。这种质量完全分布在引力半径内的体系称为这种质量完全分布在引力半径内的体系称为黑洞黑洞。Rs称为黑洞的视界称为黑洞的视界史瓦西半径奇异球面将引力场分成两个部分：史瓦西半径奇异球面将引力场分成两个部分：1、球面上只存在物质和信息单向流动。、球面上只存在物质和信息单向流动。外部流向内部。外部流向内部。2、内部任何物体从外部看不到。、内部任何物体从外部看不到。只有引力仍然作用在史瓦西半径以外。只有引力仍然作用在史瓦西半径以外。黑洞：质量全部分布在史瓦西半径以内的物体。黑洞：质量全部分布在史瓦西半径以内的物体。事件的事件的视界视界：史瓦西半径所规定的界面。：史瓦西半径所规定的界面。半径压缩到半径压缩到3000m以内以内太阳太阳黑洞黑洞半径压缩到半径压缩到0.01m以内以内地球地球黑洞黑洞