廣義相對論簡介

1、嚴格的慣性系但參考系由其他物體群構(gòu)成。這樣，自由粒子將不復存在，慣性系的定義出現(xiàn)了問題！無引力場的區(qū)域，才是嚴格的慣性系！自由粒子總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的參考系，是嚴格的慣性系。一、等效原理和局域慣性系8.11

廣義相對論（引力的時空理論）簡介例如，太空中遠離任何物體的區(qū)域。在引力場中，存在嚴格的慣性系嗎？12、等效原理和局域慣性系失重現(xiàn)象加速度和引力等效2

引力被慣性力精確抵消，自由下落的電梯內(nèi)的區(qū)域無引力場。引力慣性力–mIg地球自由下落的小電梯gmggmI,mg“加速度產(chǎn)生的慣性力”與“真實的引力”等價。

等效原理：

參考系的加速度和引力場等效。

因此，它與一個沒有引力場、沒有加速度的慣性系等效，任何物理實驗都不能把二者區(qū)分開

小電梯是一個“局域慣性系”?！舅伎肌侩娞轂槭裁匆?？3而航天飛機相對恒星參考系有加速度，不是慣性系。而航天飛機相對恒星參考系有加速度，不是慣性系。例：在引力場中自由飛行的航天飛機恒星參考系是慣性系。

恒星參考系有引力，不是慣性系。而航天飛機內(nèi)慣性力和引力抵消可以看成不受力，是局域慣性系。引力慣性力恒星牛頓觀點：廣義相對論觀點：4在宇宙飛船中在每一事件的時空點的鄰域內(nèi)，都存在一個局域慣性系，即與在引力場中自由降落的粒子共動的參考系。在此局域慣性系中，一切物理定律服從狹義相對論（如光速不變，時間延遲，長度收縮等）?！皬姷刃г怼保?二、引力和時空在引力場中發(fā)生的物理過程，在遠處（無引力）觀察，其時間節(jié)奏比當?shù)氐脑瓡r慢，其空間距離比當?shù)氐脑L短設(shè)一勻速轉(zhuǎn)動的圓盤，邊緣處慣性離心力較大，引力場較強。Odt,dl在

t內(nèi)，邊緣相對O點可看成以速度v的勻速直線運動。由狹義相對論“時緩尺縮”效應(yīng)6圓周長<2

R引力使空間成為非歐幾里德的

空間彎曲引力場中時間－空間（四維空間）彎曲，引力場越強，彎曲越嚴重。R周長收縮R不收縮時間膨脹大質(zhì)量天體7光線按最短路線（短程線）行進，因此

在引力場中，光線象粒子被引力加速一樣，變彎曲了。三、廣義相對論預言的幾個可觀察效應(yīng)1、光線的引力偏轉(zhuǎn)大質(zhì)量天體光線8星光的偏折角。日全食時拍攝太陽附近的星空照片，可測出1919年愛丁頓(Eddington)等測得1.98

0.16

。1973年光學測量結(jié)果是1.60

0.13

。近年用射電天文技術(shù)測得1.761

0.016

。愛因斯坦預言星光偏轉(zhuǎn)角為1.75

。*S星的實際位置*星的視覺位置

9光束在引力場中彎曲，還可解釋如下：時刻1g引力場局域慣性系2g3g4g光束直線傳播光束？在慣性系中時空平直，而在引力場（非慣性系）中時空彎曲。10由于時緩尺縮效應(yīng)，引力場中光速減小。2、雷達回波延遲太陽引力使回波時間加長，稱為雷達回波延遲。地球與水星間的雷達回波最大時間差可達240

s。

1964年，夏皮羅（Shapiro）提出一個方法，由地球發(fā)射雷達脈沖，到達行星后返回地球，測量信號往返時間，比較雷達波遠離太陽和靠近太陽兩種情況下，回波時間的差異。到上世紀70年代末，測量值與理論值之間的差約為1%，80年代利用火星表面的“海盜著陸艙”進行測量，不確定度降到了0.1%。113、引力紅移在沒有引力的情況下，每種元素輻射譜線的頻率是確定的。

1961測太陽光譜中鈉5896?譜線的引力紅移，結(jié)果與理論偏離小于5％。

1971測太陽光譜中鉀7699?譜線的引力紅移，結(jié)果與理論偏離小于6％。而在引力場中，由于時緩效應(yīng)，譜線的頻率變小，這稱為引力紅移。12H

0

他們把發(fā)射14.4keV的

光子的57Co放射源放在高度為H＝22.6m的塔頂，在塔底測量它射來的

光子的頻率

，發(fā)現(xiàn)比在塔頂?shù)念l率

0高了?！舅伎肌抗庾拥馁|(zhì)量為h

/c2，試用牛頓力學解釋上述結(jié)果。地面附近的引力紅移效應(yīng)更為微弱。

1959年，龐德(R.V.Pound

)和瑞布卡(Q.A.Rebka

)在哈佛塔做了一個實驗，理論值：實驗結(jié)果為134、水星近日點的進動按嚴格平方反比律計算，行星軌道為閉合橢圓。但實際天文學觀測表明，行星軌道并不是嚴格閉合的，而是繞近日點有進動。按牛頓力學，考慮坐標系的歲差、其它行星的攝動，水星近日點的進動為每世紀觀測值：如果考慮空間彎曲對平方反比律的修正，得

=5600.65，和觀測值相符得非常好。14四、黑洞（blackhole）設(shè)一飛船自無限遠，由靜止向星球自由降落。M0rrvm15這表明，在遠離引力源處觀察，離引力中心rs

遠處，任何過程（包括光的運動）都進行得無限緩慢（凝滯不動）。dt

=

，dr

=0

rs

稱為史瓦西半徑（Schwarzschildradius）16當

時，逃逸速度：r

rs

任何物體（包括光）都逃不出去r=rs

的球面稱為視界（horizon）。地球：

rs=8.8╳10-3m<1cm太陽：rs=3.0╳103m此時rs

10km。質(zhì)量M

(2

3)M⊙時，才可能形成黑洞，r·rs

黑洞。17

黑洞拉伸、撕裂并吞噬一小部分恒星，最終將恒星大部分質(zhì)量拋向宇宙空間的模擬過程圖。18恒星演化的晚期，其核心部分經(jīng)過核反應(yīng)T～6109K，各類中微子過程都能夠發(fā)生，中微子將核心區(qū)的能量迅速帶走

引力坍縮強沖擊波外層物質(zhì)拋射或超新星爆發(fā)致密天體（白矮星、中子星、黑洞）“黑洞”不“黑”：1974年，霍金結(jié)合量子力學和相對論，指出黑洞并非全黑—黑洞能夠輻射，這就是著名的霍金輻射。黑洞在輻射過程中，將能量輻射出去，這意味著黑洞將逐漸縮小，最后在爆炸中結(jié)束生命。19天文學家還發(fā)現(xiàn)，黑洞吸引其他恒星的物質(zhì)，不是一下子就吸引過去，而是在看不見的周圍形成一個會轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(叫做吸積盤)。另外一個恒星的物質(zhì)是先打到這個盤上去，盤上的物質(zhì)才像螺旋一樣進入黑洞?；艚鹪鹊挠嬎泔@示，黑洞蒸發(fā)完全屬于熱效應(yīng)，它不應(yīng)該包含任何信息。當黑洞變得越來越小，最后蒸發(fā)到?jīng)]有時，就意味著已經(jīng)丟失了全部信息。但霍金的理論同“信息守恒定律”矛盾，一度被人們稱為“黑洞悖論”。20現(xiàn)在霍