学年人教版物理选修第十五章相对论共张PPT.ppt

广义相对论简介 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 引言 1905年，爱因斯坦建立了基于惯性系的狭义相对论。 1915年，爱因斯坦提出了包括引力场和非惯性系在内的相对论，即广义相对论。 广义相对论是关于时空性质与物质分布及运动的相互依赖关系的学说，是研究物质在时空中如何进行引力相互作用的理论。 广义相对论是近代宇宙论的理论基础，也是宏观物质运动现代研究领域的重要理论基础。 本章主要介绍广义相对论的两个基本原理。 等效原理 有关引力效应与加速度效应不可区分的一个理想实验 密封仓在没有引力作用 条件下作匀加速直线运动 小球对密封仓都以加速度 下落，仓内的观测者不能测出密封仓是处于引力场中，还是处于无引力作用的匀加速运动状态。 地 球 均匀的引力场中 密封仓停放于 对于一个均匀引力场而言，引力场与一匀加速参考系等效。换句话说，对于一均匀引力场而言，引力与惯性力在物理效果上等效。 实际的引力场通常是不均匀的，只在局域小的时空范围内可看成均匀，等效原理在此范围内成立，即局部等效。 在局域小范围内，一个没有引力场存在的非惯性系（匀加速参考系）中的物理定律，与在一个有引力场存在的惯性系中的物理定律是不可区分的。局域惯性系中一切物理定律均服从狭义相对论原理。 从物体质量的角度来看，等效原理解释了物体的引力质量与它的惯性质量相等的经验事实。 续上 时空弯曲 基于等效原理，在非惯性系中引入引力场的概念，就有可能将狭义相对性原理推广到任意参考系。 为解决这个问题，爱因斯坦将空间和时间合为一体，建立四维空间，并提出了著名的广义相对性原理。该原理的文字表述如下： 任何参考系对于描述物理现象来说都是等效的。换句话说，在任何参考系中，物理定律的形式不变。 光的引力偏移 广义相对论预言，引力场中的光线不再沿直线进行，而是偏向于引力场源的一側。这一效应，还可检验光子具有动质量 m = e /c 2 的事实。 1919年的日全蚀期间，科学家们分别在非洲和南美洲，对掠过太阳表面的恒星光线受太阳引力作用而发生偏移的效应进行测量，实测结果分别为 1.61″±0.40″和 1.98″±0.16″，与广义相对论预言相一致（若按牛顿引力理论推算，太阳引力对动质量为m的光子所造成偏移量只有 0.87″)。此类测量后来还进行过多次，结果都与广义相对论预言。 日全蚀 光线引力偏移 q 广义相对论预言 q = = 1.75″ 多次实测结果与预言相一致 R M 4GM c 2R 无线电波偏移 无线电波也可看成是能量较低（质量较小）的光子。采用射电天文望远镜，接收处于太阳后方的射电天体发射的无线电波或宇宙飞船发射的无线电信号，也能测出太阳引力对无线电波所产生的偏移效应。近年来，采用射电天文学的定位技术测得的偏移角度为 1.761″±0.016″, 与广义相对论的预言很符合。 “海盗”号 无线电波偏移 太阳 火星探测 飞船 采用射电天文学的定位技术测得的偏移角度为 1.761″±0.016″, 与广义相对论的预言符合得很好 谱线引力红移 光谱线引力红移 天狼星 实测天狼星的一个伴星光谱线 的引力红移是太阳光谱线引力红 移的 30 倍，与广义相对论预言相符。 广义相对论预言，振荡器的固有频率依赖于它所在处的引力场的强弱。引力场越强，则振荡器的固有频率越低。这种因引力场的作用而使光源的发光频率向光谱低端（红端）移动的现象称为光谱线的引力红移。 若不考虑引力作用时某种原子光谱中某一谱线的频率为n ，在某一半径为R质量M很大的恒星表面上同种原子光谱中同一谱线的频率要低一些，其相对频移的理论值为△n／n =－ GM／(c2R) 。太阳的光谱线引力红移△n／n = －2.12×10 – 6 。 用鈷57放射性衰变发出的g 射线在不同高度上做实验也可测引力红移效应，广义相对论预期的引力红移为2.46×10 -15, 实测结果为( 2.57±0.26 ) ×10 -15, 两者符合得很好。 水星近日进动 水星 太阳 金星 地球 椭圆轨道 近日点 水星近日点的进动（旋进） 位矢 天文观测早已发现，水星相继两次通过近日点时，其位矢扫过的角度大于 2p，总观测值为每百年前移 5600.73″。按牛顿力学关于行星的摄动理论及岁差等因素，可以算出引起该项进动的理论值应为每百年 5557.62″, 这比观测值少了 43.11″。由于此差值之大已是观测精度的数百倍，故引起学术界的高度重视。 爱因斯坦指出，对此问题必须