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(guān)

第三章現(xiàn)代物理學(xué)

第一節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀(guān)

1運(yùn)動(dòng)的時(shí)空：狹義相對(duì)論

—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)論的重要預(yù)言

廣義相對(duì)論

—廣義相對(duì)論的等效原理

—愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程

—廣義相對(duì)論的重要推論

—相對(duì)論的宇宙觀(guān)

習(xí)題

2李白的《早發(fā)白帝城》

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。

3時(shí)間和空間（簡(jiǎn)稱(chēng)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。

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(chēng)為狹義相對(duì)論。推廣到一般參考系和包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論則稱(chēng)為廣義相對(duì)論。

4狹義相對(duì)論誕生的背景：19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。

兩朵烏云：（１）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；（２）黑體輻射實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”。5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。

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(chēng)洛倫茲變換）。

狹義相對(duì)論的基本原理：6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(guān)察者是否運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。在所有的慣性系中，真空中光的速率具有相同的值。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)。

7狹義相對(duì)論的重要預(yù)言：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8

“運(yùn)動(dòng)讓你更年輕”

9運(yùn)動(dòng)尺度的縮短：觀(guān)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)速率為，其方向沿著直尺指向（由左指向右）。當(dāng)觀(guān)察者B從相對(duì)地面靜止的觀(guān)察者A旁邊走過(guò)時(shí)，在A看來(lái)B的尺子變短了。

轉(zhuǎn)換公式為：

10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)情況下，物體的質(zhì)量和靜止質(zhì)量差異很小。

11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。12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。13廣義相對(duì)論的等效原理：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）。14愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程：愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程：

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。

15廣義相對(duì)論的重要推論：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(guān)測(cè)顯示這條軌道不是閉合的曲線(xiàn)，而是有微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。16光線(xiàn)彎曲現(xiàn)象：光線(xiàn)發(fā)生彎曲現(xiàn)象是否明顯，取決于光源和觀(guān)察者之間的引力場(chǎng)的大?。ㄒ蕾?lài)于產(chǎn)生引力場(chǎng)天體的質(zhì)量）。

17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(guān)測(cè)時(shí)，處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來(lái)的譜線(xiàn)，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。

18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)。

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)論已經(jīng)成為物理研究的重要理論基礎(chǔ)。

1920相對(duì)論的宇宙觀(guān)：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。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”。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)。

21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。觀(guān)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。

22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）23加速膨脹的宇宙：24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