广义相对论宇宙学与天体物理

广义相对论宇宙学与天体物理第1页，课件共28页，创作于2023年2月一、

狭义相对论的两个遗留问题二、广义相对论的理论基础1.等效原理

（解决万有引力与参考系的矛盾）2.引力场方程（解决万有引力与狭义相对论不相容）3.广义协变性原理

（将关系系规律推广至任何参考系）三、广义相对论预言现象与实验验证

广义相对论简介返回上级目录返回主目录上一页下一页《力学》电子教案第2页，课件共28页，创作于2023年2月一、宇宙的物质结构与年龄二、宇宙的统一整体性---宇宙学原理三、宇宙在膨胀---哈勃定律与奥勃斯佯谬四、宇宙的起源---大爆炸理论模型五、暗物质与暗能量六、恒星的演化七、发光星体的观测分类宇宙学与天体物理初步返回上级目录返回主目录上一页下一页《力学》电子教案第3页，课件共28页，创作于2023年2月狭义相对论的两个遗留问题

万有引力与惯性参考的矛盾自然界中广泛存在万有引力，真正的惯性系在哪？

2.经典万有引力表达式与狭义相对论不相容（1）万有引力表达式意味着引力传播的超距作用（2）万有引力在洛伦兹变化下不具有协变性返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第4页，课件共28页，创作于2023年2月等效原理1.等效原理

（动画演示）就质点力学而言，一个加速参考系内的惯性力场同一个均匀的引力场等效，一个非惯性系就可以等效为惯性系2.惯性系与局部惯性系等效原理表明，在引力场均匀的区域，用变换到一个加速参考系的方法可使引力场“变换掉”，成为严格的惯性系。如果引力场整体不均匀，惯性力不能完全抵消掉引力，但在局部范围内，近似认为惯性力与引力产抵消-----局部惯性系返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第5页，课件共28页，创作于2023年2月引力场方程1.由万有引力定律到引力场方程的改造万有引力定律改造成泊松方程，以张量表述，得到普适的规律---引力场方程，满足协变性原理2.由经典的引力场到近代时空结构的理解经典意义上产生的引力场，对应物质所决定的时间和空间的几何结构。举例，测地线方程：惯性直线运动，行星的弯曲运动（1919年，爱因斯坦对9岁的儿子爱德华：“你看见没有，当瞎眼的虫子沿球面爬行的时候，它没有发现它爬过的路径是弯曲的，而我有幸地发现了这一点”）3.引力场（弯曲时空中）的坐标钟与坐标尺（与无引力场比）引力场使时钟变慢，空间距离变长返回主目录上一页下一页《力学》电子教案第6页，课件共28页，创作于2023年2月上一页下一页返回主目录返回上级目录《力学》电子教案第7页，课件共28页，创作于2023年2月广义协变性原理

广义协变性原理—将惯性系的规律推广至任何从参考系把狭义相对论方程中有关的物理量和微分关系（如对时间的微分等）改换为相应的广义张量，在局部洛伦兹坐标变换下，其规律适用一切坐标系。狭义相对论与广义相对论的总体概述

狭义相对论：惯性参考系之间的时空和物理定律的变换规律。广义相对论：物质如何影响时空结构（引力场方程）

其他物质在该时空结构中如何运动（等效原理、广义协变性原理）狭义相对论写出了多个小片段的“脚本”，而广义相对论，即由物质质量和分布所决定的时空几何则是“整出戏的总编剧”。

返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第8页，课件共28页，创作于2023年2月预言现象与实验验证引力时间延缓---引力红移时空弯曲---水星轨道进动光线偏折---星体位置偏移

光速减慢---雷达回波延迟黑洞----未被实验证实广义相对论预言现象与实验验证广义相对论基础原理返回主目录上一页下一页返回上级目录引力波与引力子《力学》电子教案第9页，课件共28页，创作于2023年2月光线偏折—星体位置偏移

光线偏折：等效原理解释

实验证据：星体位置偏移

返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第10页，课件共28页，创作于2023年2月引力使时钟变慢：由引力场方程导出对应波长红移实验证据：星体位置偏移

引力时间延缓---引力红移

无限远观察者星体返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第11页，课件共28页，创作于2023年2月时空弯曲—水星轨道进动

时空弯曲：引力场方程导出

实验证据：水星轨道进动

无限远观察者星体动画演示返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第12页，课件共28页，创作于2023年2月光速减慢---雷达回波延迟光速减慢：引力场方程导出

实验证据：雷达回波延迟

地球太阳星体无限远观察者星体返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第13页，课件共28页，创作于2023年2月黑洞---未被证实的现象史瓦西半径

无限远观察者星体物质所发出光相对于远处观察者趋向于零，无法获得直接观测数据，而只能靠物质的巨大引力场使人们感知它的存在！返回主目录上一页下一页返回上级目录《力学》电子教案第14页，课件共28页，创作于2023年2月引力子与引力波

上一页下一页返回主目录返回上级目录《力学》电子教案第15页，课件共28页，创作于2023年2月宇宙的物质结构与年龄宇宙结构银河系●上千亿个河外星系星体：黑洞、中子星、恒星、白矮星、行星、卫星等等星际物质：星际气体、尘埃、星云、星际磁场、暗物质、暗能量等等宇宙空间距离上限:200亿光年宇宙时间年龄上限：100至200亿年。太阳系的年龄大约：45亿至50亿年动画演示返回上级目录上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第16页，课件共28页，创作于2023年2月宇宙的统一整体性---宇宙学原理托勒密地心说：地球是宇宙中心哥白尼日心说：太阳是宇宙中心宇宙学原理：宇宙中没有任何一点具有优越性，所有位置都是平权的返回上级目录上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第17页，课件共28页，创作于2023年2月宇宙在膨胀上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第18页，课件共28页，创作于2023年2月返回上级目录上一页下一页返回主目录第19页，课件共28页，创作于2023年2月宇宙的起源上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第20页，课件共28页，创作于2023年2月上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第21页，课件共28页，创作于2023年2月上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第22页，课件共28页，创作于2023年2月上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第23页，课件共28页，创作于2023年2月图12.8-1返回上级目录上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第24页，课件共28页，创作于2023年2月暗物质与暗能量上一页下一页返回主目录《力学》电子教案第25页，课件共28