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宇宙射线 cosmic rays：极好的例子 宇宙射线（极高能[高速]粒子，多为质子）在通过地球大气外层时产生大量做相对论速度运动(~ 0.995c)的μ介子 μ介子寿命2.2*10-6 s ，最多穿行600米。但它们却在穿越100千米后到达地球表面 这是因为它们相对于我们的运动速度接近光速，因此它们内部的时钟（相对于静止的我们）比静止μ介子的时钟慢得多 但是在快速运动μ介子的参考系中，其时钟运转正常， 其寿命仍为2.2*10-6 s（大气层厚度缩短） 物质 = 能量 物质和能量可以互相转换： 能量和物质等效 爱因斯坦质能方程： 能量 = 质量 × (光速)2 E = mc2 静止能量；静止质量 狭义相对论效应（3） 对于匀高速运动的物体，一个静止的观测者将会发现： 3. 物体的质量增加 *洛仑兹变换* 狭义相对论的3个“诡异”效应只有在速度大于 ~0.1C 时才能察觉 诸多实验已经验证狭义相对论的正确性 你身体的能量甚至可以“巨大无比”！ 四维时空 Four-dimensional spacetime 时间和空间是相对于观测者的运动的，且不互相独立 时间和空间在一起构成四维时空（三维空间和一维时间） 这不奇怪： 宇宙距离以光年为单位 一个事件既有发生的时间也有发生的地点，事件是发生在时空里的 广义相对论 General Relativity (GR) 爱因斯坦把狭义相对论发展为包括引力和非匀速（加速度）运动的情况，即广义相对论。这是受到两种方法测量到相同质量的启发: F = ma m ：低抗运动改变(加速度，惯性）的大小的量度 m：所感受到的吸引力的大小的量度 这正是伽利略发现所有物体都以相同加速度下落的推论 ? 引力可等效于加速度 “爱因斯坦的电梯实验” 静止在地球表面 g= 9.8 m/s2 无引力场中向上加速度 a = g = 9.8 m/s2 两个电梯中的实验结果相同：小球下落的加速度都是 9.8 m/s2 等效原理 Equivalence Principle “在一个封闭的小空间内没有实验能区分引力场和等效的匀加速度” 等效原理是广义相对论的基石 失重与超重 失重 （因地球引力）自由落体的电梯中 远离任何天体（零引力场）的电梯中 没有实验能区分以上两种情况 地球引力场中电梯加速向上 ? 超重 光线弯曲 Light Bending 等效原理 ? 光线在强引力场中要弯曲 三种情况下，电梯外的观测者均看到光沿水平方向运动！ 引力是时空的弯曲 时空两点之间光走最短距离。如果空间弯曲，则光线弯曲 加速度?光线弯曲 加速度?引力 爱因斯坦假设：所谓的引力其实就是时空弯曲的结果！ 月球绕地球转动 牛顿力学：月球受到地球的引力 广义相对论：地球质量扭曲其附近的时空，月球在不平坦的时空以最自然的方式运行，即绕地球运转的曲线 引力=时空弯曲的观测证据 预言：光线弯曲 从大质量天体附近经过的光线要弯曲。质量越大，弯曲程度越大 日全食提供了极好的观测验证机会（爱丁顿） 引力透镜 Gravitational Lens 有可能看到背景类星体的两个或多个相同的像 太空哈哈镜 爱因斯坦十字 透镜星系 HST观测到极端罕见的双爱因斯坦环 透镜星系距离300万光年 两背景星系距离分别为600万光年和1100万光年 三个星系几乎和我们处于一条直线上 时钟不再同步 处于引力场中的时钟变慢 1960年：5楼的时钟比地下室的时钟稍快 2010年：最先进的原子钟，一只置于地面，另一只放在“海拔”33厘米处（引力比地面引力小了两千万分之一）。测量结果表明，高处的原子钟比地面上的每世纪快一千亿分之一秒。 Who is greater? Newton: theory of gravity and the tool (calculus,仪器与实验) Einstein: theory of relativity, not tool (张量分析) Who next one? 时代在召唤！ 一个世纪以前的两朵乌云: “以太”与“黑体谱”－ 导致了世纪性的成果—相对论与量子力学 本世纪初天文学乃至整个物理学正面临着崭新的挑战，即暗能量和暗物质这两大朵“乌云”会导致什么？ 上世纪初爱因斯坦创立了相对论。时代在召唤更伟大的科学家，暗物质与暗能量也许正在呼唤新的”Einstein”！ “MOND （修正的牛顿引力）PK 暗物质暗能量?” 扩展阅读 《天文学简史》（牛津通识读本）霍斯金(Michael Hoskin)著、陈道汉译，译林出版社，(2010-06出版) 《天文学简史》 G.伏古勒尔 著，罗玉君、李珩 译，?中国人民大学出版社 (2010-04出版) 《剑桥插图天文学史》霍斯金主编，江