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第四节广义相对论简介 1 超越狭义相对论的思考介绍爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题 第一个是引力问题 万有引力定律不满足洛伦兹变换 无法纳人狭义相对论的理论框架 第二个是非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系 它们是促成广义相对论的前提 2 广义相对论等效原理 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动 船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线 半透明屏 光源 等效原理 引力场与匀加速参考系等价 假设飞船静止 而在船尾存在一个巨大的物体 在它的引力场作用下 光的轨迹也是一条抛物线 3 广义相对论主要结论 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 太阳 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 广义相对论结论 1 光线弯曲 广义相对论结论 2 透镜效应 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 广义相对论结论 3 引力场影响时间 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 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 广义相对论结论 4 引力红移 引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别 地面上看到 越是靠近边缘 速度越大 根据狭义相对论 靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为 引力势较低的位置 杆的长度越短 广义相对论结论 5 引力场影响长度 引力势由高到低变化 由于物质的存在 实际空间并不是均匀的 空间发生了 弯曲 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
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