文科物理-第3章現(xiàn)代物理學(xué) 第1節(jié) 相對(duì)論時(shí)空觀

1、1 第三章第三章 現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué) 第一節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀第一節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀 2 運(yùn)動(dòng)的時(shí)空運(yùn)動(dòng)的時(shí)空： v狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論 狹義相對(duì)論誕生的背景狹義相對(duì)論誕生的背景 狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理 狹義相對(duì)論的重要預(yù)言狹義相對(duì)論的重要預(yù)言 v廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論 廣義相對(duì)論的等效原理廣義相對(duì)論的等效原理 愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程 廣義相對(duì)論的重要推論廣義相對(duì)論的重要推論 相對(duì)論的宇宙觀相對(duì)論的宇宙觀 v習(xí)題習(xí)題 3 李白的早發(fā)白帝城 運(yùn)動(dòng)的時(shí)空：運(yùn)動(dòng)的時(shí)空： 朝辭白帝彩云間， 千里江陵一日還。 兩岸猿聲啼不住， 輕舟已過(guò)萬(wàn)重山。 運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的根本屬性和存在方式。 4

2、 o 時(shí)間和空間（簡(jiǎn)稱時(shí)空）是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形 式。 空間是在測(cè)量和描述物體及其運(yùn)動(dòng)的位置、形狀、 方向等性質(zhì)中抽象出來(lái)的。 時(shí)間是從描述物體運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性，以及事件發(fā)生的 順序中抽象出來(lái)的。 o 對(duì)于局限于慣性系（牛頓運(yùn)動(dòng)定律在其中有效的參 考系）的理論我們稱為狹義相對(duì)論。 o 推廣到一般參考系和包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論則稱為 廣義相對(duì)論。 5 狹義相對(duì)論誕生的背景：狹義相對(duì)論誕生的背景： v19世紀(jì)末期 ，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場(chǎng)理論 和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理大廈 已經(jīng)建成。 v兩朵烏云：兩朵烏云： （）邁克耳森莫雷實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“以太” 絕對(duì)參考系存在； （）黑體輻射實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的“紫

3、外災(zāi)難”。 6 v相對(duì)性原理：所有慣性參考系都是等價(jià)的， 物理規(guī)律對(duì)于所有慣性參考系都可以表示為 相同形式。 v兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性參考系之間時(shí)空變換關(guān) 系（也稱洛倫茲變換）。 狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理 ： 7 v光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑傧鄬?duì)于慣性系 沿任何方向恒為 km/s，與光源和 觀察者是否運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 v在所有的慣性系中，真空中光的速率具有相 同的值。 v光速是實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)的極限，宇宙間沒(méi)有任 何東西能以大于光速的速度運(yùn)動(dòng)。 300000c 8 狹義相對(duì)論的重要預(yù)言：狹義相對(duì)論的重要預(yù)言： v運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩：一個(gè)以速率v運(yùn)動(dòng)的參考系 S（例如火車(chē)）中于固定地點(diǎn)發(fā)生了一個(gè)事

4、件， 相對(duì)于這個(gè)運(yùn)動(dòng)參考系中懸掛的鐘表，此事 件持續(xù)的時(shí)間間隔為t。相對(duì)于不動(dòng)參考系 S（例如地面）中懸掛的鐘表，此事件持續(xù)的 時(shí)間間隔為t。那么 2 2 1 t t v c t t 9 “運(yùn)動(dòng)讓你更年輕” 10 v運(yùn)動(dòng)尺度的縮短：觀察者A和B都帶著一把 長(zhǎng)為 直尺，B相對(duì)A的勻速直線運(yùn)動(dòng)速率 為 ，其方向沿著直尺指向（由左指向 右）。當(dāng)觀察者B從相對(duì)地面靜止的觀察者 A旁邊走過(guò)時(shí)，在A看來(lái)B的尺子變短了。 0 L v 22 0 /1cvLL轉(zhuǎn)換公式為： 11 v質(zhì)量的相對(duì)性：在相對(duì)論中，物體的質(zhì)量隨 著它的運(yùn)動(dòng)速率增大而增大。如果把物體靜 止時(shí)的質(zhì)量記為 ，那它高速運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量為 在低速運(yùn)動(dòng)情

5、況下，物體的質(zhì)量和靜止質(zhì)量差 異很小。 0 m 0 22 1/ m m vc 12 v質(zhì)能方程：在狹義相對(duì)論中，質(zhì)量和能量有 確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 2 Emc 13 廣義相對(duì)論的誕生：廣義相對(duì)論的誕生： 狹義相對(duì)論的相對(duì)性原 理是建立在兩個(gè)做相對(duì)勻 速運(yùn)動(dòng)的慣性系里。沒(méi)有 真正解決經(jīng)典力學(xué)中的已 有難題。經(jīng)典力學(xué)是無(wú)法 回到慣性系在物理學(xué)中的 優(yōu)越性的，因此愛(ài)因斯坦 意識(shí)到要進(jìn)一步探明這個(gè) 問(wèn)題，就必須擴(kuò)大相對(duì)性 原理的應(yīng)用范圍。他將自 己的研究領(lǐng)域從慣性系拓 展到了加速運(yùn)動(dòng)的參考系， 從而形成比狹義相對(duì)論范 圍更廣闊、更普遍的理論： 廣義相對(duì)論。 14 廣義相對(duì)論的等效原理：廣義相對(duì)論的等效原理

6、： v等效原理：在一個(gè)封閉的空間中，無(wú)法通過(guò) 實(shí)驗(yàn)手段來(lái)判斷該空間是靜止在引力場(chǎng)中， 還是在無(wú)引力場(chǎng)作用下的加速運(yùn)動(dòng)（也可表 述成物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量必須等效）。 15 愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程：愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程： v愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程： T c G RgR 4 8 2 1 方程左邊描述的是時(shí)空性 質(zhì)的物理量，而右邊對(duì)應(yīng)物 質(zhì)的能量和動(dòng)量分布，從而 將時(shí)間、空間、質(zhì)量、能量 四者合而為一。 16 廣義相對(duì)論的重要推論：廣義相對(duì)論的重要推論： v水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng) ：根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律分 析，水星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌跡是一條嚴(yán)格的橢 圓軌道，但天文觀測(cè)顯示這條軌道不是閉合 的曲線，而是有微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。 1

7、7 v光線彎曲現(xiàn)象：光線發(fā)生彎曲現(xiàn)象是否明顯， 取決于光源和觀察者之間的引力場(chǎng)的大小 （依賴于產(chǎn)生引力場(chǎng)天體的質(zhì)量）。 18 v引力紅移：由廣義相對(duì)論可推知，當(dāng)從遠(yuǎn)離 引力場(chǎng)的地方觀測(cè)時(shí)，處在引力場(chǎng)中的輻射 源發(fā)射出來(lái)的譜線，其波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)一些。 引力紅移是強(qiáng)引 力場(chǎng)中天體發(fā)射 的電磁波波長(zhǎng)變 長(zhǎng)的現(xiàn)象。 19 v廣義相對(duì)論的其它結(jié)論和應(yīng)用： 雷達(dá)回波延遲，美國(guó)的GPS全球定位系統(tǒng)，中 國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及歐洲伽利略全 球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 v中子星的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測(cè)、 引力輻射理論和引力波探測(cè)、大爆炸宇宙學(xué)、 量子引力以及大尺度時(shí)空的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題 的研究正在深入，廣義相對(duì)論已

8、經(jīng)成為物理 研究的重要理論基礎(chǔ)。 20 21 相對(duì)論的宇宙觀：相對(duì)論的宇宙觀： v天文學(xué)是人類(lèi)祖先在游牧和農(nóng)耕時(shí)，由于確 定季節(jié)的需要而誕生的。 v戰(zhàn)國(guó)時(shí)期尸佼定義的宇宙：“四方上下曰宇， 往古來(lái)今為宙”。 v經(jīng)典牛頓力學(xué)中，宇宙被認(rèn)為在時(shí)空和空間 上都是無(wú)限的。宇宙中的天體分布在某個(gè)中 心的周?chē)?，從這個(gè)中心向外，天體分布的密 度逐漸減小，直到無(wú)限遠(yuǎn)處變成真空狀態(tài)。 22 v美國(guó)核物理學(xué)家、宇宙學(xué)家伽莫夫?qū)⑾鄬?duì)論引入 宇宙學(xué)，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型。熱大爆炸 宇宙學(xué)模型認(rèn)為，宇宙最初開(kāi)始于高溫高密度的 原始物質(zhì)，溫度超過(guò)幾十億度。隨著宇宙膨脹， 溫度逐漸下降，形成了現(xiàn)在的恒星、星系等天體。 v觀測(cè)證據(jù)：大尺度結(jié)構(gòu)星系的分布，宇宙微波背 景輻射，空間膨脹的哈勃關(guān)系，宇宙大爆炸早期 元素豐度等。 23 v廣義相對(duì)論對(duì)于宇宙的時(shí)空性質(zhì)給出三種預(yù) 言： （1）閉合宇宙（先膨脹后塌縮） （2）開(kāi)放宇宙（永遠(yuǎn)膨脹） （3）平直宇宙（永遠(yuǎn)膨脹） 24 加速膨脹的宇宙：加速膨脹的宇宙： 25 相對(duì)論作為物理學(xué)的重要組成部分，是近 代物理學(xué)的兩大支柱之一。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)這 樣開(kāi)玩笑地描述他的相對(duì)論：“你和一個(gè)漂 亮姑娘在公園長(zhǎng)椅上坐一小時(shí)，覺(jué)