人教版选修3-4 15.4 广义相对论简介 (共17张PPT).ppt

第十五章 相对论简介 【选修3-4】 下一页 上一页 15.4 广义相对论简介 15.4 广义相对论简介 15.4 广义相对论简介 一、超越狭义相对论的思考 狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和赞叹之中，这时爱因斯坦自己却在冷静地思考着狭义相对论所无法解决的问题。 1、引力问题 2、非惯性系问题 万有引力定律无法纳入狭义相对论的理论框架； 狭义相对论只对惯性系适用，对牛顿运动定律不成立的非惯性系却不适用，为什么惯性系具有这样特殊的地位？狭义相对论无法解释。 万有引力与电磁力有很多相似之处，例如，两个相互作用的物体之间都不需要直接接触。狭义相对论指出，电磁相互作用的传播速度c是自然界中速度的极限。引力的作用又以什么速度传递？难道一个星球对另一星球的引力是以超过光速的速度施加影响的吗？这是狭义相对论所不允许的。 演示1 1、广义相对性原理： 伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系都是相同的 爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的； 爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律都是相同的， 称为广义相对性原理。 逻辑形式逐渐简约 二、广义相对性原理和等效原理 在任何参考系中，物理规律都是相同的。 推广 推广 2、等效原理： 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 （飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们，飞船到底是停泊在一个星球的表面，还是在加速远离天体） 三、广义相对论的几个结论 1、物质的引力使光线发生弯曲 半透明屏 光源 飞船外静止观察者看到这束光是直线传播的（水平向右） 如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（蓝虚线） 如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，根据等效原理，在引力场作用下的一切物理规律和一个做匀加速运动的参考系等价。 等效原理 物质的引力能使光线弯曲 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船 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． 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． 小质量星体 大质量星体 2、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． 地面上的人看到：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，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢． 3、引力红移 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． 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”： 弯曲空间 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． 狭义、广义相对论比较 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 对于时空观的认识 物质本身的存在决定时空的性质 时空