第四节广义相对论简介

1、内容回顾内容回顾一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是相同都是相同的的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相同相同的，的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1 1、“同时同时”的相对性的相对性2 2、动尺变短、动尺变短3 3、动钟变慢、动钟变慢4 4、速度变换公式、速度变换公式21cvuvuu21cvt2

2、01cvll内容回顾内容回顾5 5、相对论质量、相对论质量6 6、质能方程、质能方程2mcE 201cvmm内容回顾内容回顾一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考 爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：1 1、引力问题、引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；2 2、非惯性系问题，、非惯性系问题， 狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系具狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释有这样的地位？狭义相对论无法解释 二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原

3、理和等效原理1 1、广义相对性原理：、广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。在任何参考系中，物理规律都是相同的。伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在在任何惯性系任何惯性系都是都是相同相同的的爱因斯坦狭义相对性原理爱因斯坦狭义相对性原理(1905(1905年年) ) 在在不同的惯性参考系不同的惯性参考系中，中，一切物理规律一切物理规律都有是都有是相同相同的；的； 爱因斯坦广义相对论原理（爱因斯坦广义相对论原理（19161916年）年） 在在任何参考系中任何参考系中( (包括非惯系）所有的物理规律包括非惯系）所有的物理规律都是都是相同相同的的，称为广义相对性原理。，

4、称为广义相对性原理。逻辑形式逐渐简约逻辑形式逐渐简约非惯性系和惯性系 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动对于车厢加速向后运动aa光滑表面2 2、等效原理：、等效原理： 一个一个均匀均匀的引力场与一个做的引力场与一个做匀加速匀加速运动的参考系运动的参考系等价。等价。二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理 如果飞船做匀加速运动，在如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。的光的径迹是一条

5、抛物线。三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论1 1、物质的引力使光线发生弯曲、物质的引力使光线发生弯曲 如果飞船做匀速直线运动，如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）条直线（虚线） 飞船外观察者看到这束光是飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）直线传播的（水平向右）通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，2020世纪只能观测到太阳引世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲力场引起的光线弯曲19191919年年5 5月月2929日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进

6、行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论的最早证实的最早证实透镜效应透镜效应 星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这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种现象叫做引力透镜效应宇宙中很可能存在黑洞，宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和接观测，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，引力透镜是探索黑的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一洞的途径之一2 2、引力场的存在使得空间不同位置的时间、引力场的存在使得空

7、间不同位置的时间进程出现差别进程出现差别 对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心度越大，方向指向盘心 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，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靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的

8、位置，时间进程比较慢比较慢三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论各各类类星星体体对对比比宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫宇宙中有一类恒星，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光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移3 3、引力红移、引力红移狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的不同的惯性惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的 一个均匀的一个均匀的引力场与一个引力场与一个做匀加速运动做匀加速运动的参考系等价的参考系等价更进一步更进一步等等效效原原理理光光速速恒恒定定爱因爱因斯坦斯坦相对相对性原性原理理广广义义相相对对性性原