《廣義相對論點滴（選學）》參考課件

6.5廣義相對論點滴（選學）一、廣義相對論原理和等效原理愛因斯坦有一個基本思想：自然界遵循的規(guī)律是統(tǒng)一的。根據(jù)這一思想，自1905年發(fā)表狹義相對論后，經(jīng)過10年的刻苦研究，他在1916年又建立了廣義相對論。1.廣義相對性原理（principleofgeneralrerelativity）：這一原理是把狹義相對論的相對性原理從慣性參考系推廣到非慣性參考系，愛因斯坦認為在任何參考系中物理規(guī)律都是一樣的。2.等效原理（equivalenceprinciple）:一個不受引力作用的加速度系統(tǒng)跟一個受引力作用的慣性系統(tǒng)是等效的。等效原理是在研究質量的基礎上提出來的。（1）牛頓力學中的質量是物體慣性的量度，也就是說在一定外力作用下，物體的加速度越小，質量越大；物體的加速度越大質量越小，按這樣的定義測量的質量稱為慣性質量。（2）牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，當然也可以根據(jù)萬有引力的大小來衡量質量的大小，這樣測得的質量稱為引力質量。（3）物理學家所做的一系列精確度很高的實驗表明慣性質量和引力質量是相等的。愛因斯坦認為，同一物體的這兩種質量相等不應該是偶然的巧合，而應有深刻的內在聯(lián)系。他深入分析了自由降落的電梯里發(fā)生的現(xiàn)象，提出了等效原理。二、支持廣義相對論的幾個觀測結果1.光在引力場中傳播時，將會發(fā)生偏折，而不再是直線傳播。在光線經(jīng)過質量巨大的天體，如太陽時，這種偏折可以由天文觀測來測定。日全食時是觀測的最好時機。這時，可以看到在太陽周圍天區(qū)的恒星因為光線偏折而似乎改變了位置。廣義相對論建立之后不久，1919年5月29日發(fā)生日全食。英國皇家天文學會派出兩個考察隊分別到西非普林西比島和巴西索布拉爾進行觀測，觀測結果完全證實了愛因斯坦的預言，在當時曾引起轟動，媒體的報道使愛因斯坦稱為家喻戶曉的新聞人物。2.引力作用使光波發(fā)生頻移，在引力勢能低處發(fā)出的光波在引力勢能高處接收到時光波頻率變低，發(fā)生“紅移”；相反，從引力勢能高處向引力勢能低處發(fā)射光波，接收到的頻率變高，發(fā)生“藍移”。這曾被地面上精密的實驗證實。3.在引力場中時間也會延緩，引力越強（如太陽周圍的空間），時鐘就走得越慢。例如從地球向金星發(fā)射雷達信號，這個信號又從金星表面上反射回地球。如果雷達信號來回路程經(jīng)過太陽表面附近，所經(jīng)過的時間要比不經(jīng)過太陽附近的情況變長。4.水星繞太陽運動的軌道與根據(jù)牛頓萬有引力定律計算所得的不一致，這是一個在天文學史上長達百年的困惑。人們曾經(jīng)懷疑可能在水星軌道內有一顆小行星，由于它的存在造成水星軌道的異常，然而始終未找到。愛因斯坦用新建立的引力場方程取代了經(jīng)典的萬有引力定律，計算結果和實際觀測符合得很好，解決了天文學上的百年疑難。5.當兩個天體相互繞轉時，會向外界輻射處引力波。這一點也已被越來越精密的實際觀測間接證明。實際上，廣義相對論認為物體因具有質量而使其周圍的時間和空間發(fā)生了“彎曲”，而引力正是這種“時空彎曲”的表現(xiàn)。在廣義相對論中，時空觀念比狹義相對論更推進了一步。時間、空間不僅顯示出它們不是絕對的，而是相對的，它們組成了一個密切聯(lián)系、不可分割的整體，并且它們不能脫離整個物質世界而單獨存在。

愛因斯坦認為：要是物質不存在了，時間、空間也就不會再存在。時間和空間的各種性質和規(guī)律都與物質的質量、能量、運動狀態(tài)等緊密相關。

牛頓則認為：時間和空間的性質“與外界任何事物”無關。三、宇宙的演化

在日常生活中，除重力外，與物體質量相關的引力沒有任何明顯的效果。在微觀領域，引力更是完全可以忽略。但是在宇宙范圍內，由于星體的質量巨大，時空彎曲就十分明顯，而必須用廣義相對論加以研究。實際的觀測和理論研究（結合關于微觀粒子的理論）已產(chǎn)生了