《广义相对论点滴（选学）》参考课件

6.5广义相对论点滴（选学）一、广义相对论原理和等效原理爱因斯坦有一个基本思想：自然界遵循的规律是统一的。根据这一思想，自1905年发表狭义相对论后，经过10年的刻苦研究，他在1916年又建立了广义相对论。1.广义相对性原理（principleofgeneralrerelativity）：这一原理是把狭义相对论的相对性原理从惯性参考系推广到非惯性参考系，爱因斯坦认为在任何参考系中物理规律都是一样的。2.等效原理（equivalenceprinciple）:一个不受引力作用的加速度系统跟一个受引力作用的惯性系统是等效的。等效原理是在研究质量的基础上提出来的。（1）牛顿力学中的质量是物体惯性的量度，也就是说在一定外力作用下，物体的加速度越小，质量越大；物体的加速度越大质量越小，按这样的定义测量的质量称为惯性质量。（2）牛顿发现了万有引力，当然也可以根据万有引力的大小来衡量质量的大小，这样测得的质量称为引力质量。（3）物理学家所做的一系列精确度很高的实验表明惯性质量和引力质量是相等的。爱因斯坦认为，同一物体的这两种质量相等不应该是偶然的巧合，而应有深刻的内在联系。他深入分析了自由降落的电梯里发生的现象，提出了等效原理。二、支持广义相对论的几个观测结果1.光在引力场中传播时，将会发生偏折，而不再是直线传播。在光线经过质量巨大的天体，如太阳时，这种偏折可以由天文观测来测定。日全食时是观测的最好时机。这时，可以看到在太阳周围天区的恒星因为光线偏折而似乎改变了位置。广义相对论建立之后不久，1919年5月29日发生日全食。英国皇家天文学会派出两个考察队分别到西非普林西比岛和巴西索布拉尔进行观测，观测结果完全证实了爱因斯坦的预言，在当时曾引起轰动，媒体的报道使爱因斯坦称为家喻户晓的新闻人物。2.引力作用使光波发生频移，在引力势能低处发出的光波在引力势能高处接收到时光波频率变低，发生“红移”；相反，从引力势能高处向引力势能低处发射光波，接收到的频率变高，发生“蓝移”。这曾被地面上精密的实验证实。3.在引力场中时间也会延缓，引力越强（如太阳周围的空间），时钟就走得越慢。例如从地球向金星发射雷达信号，这个信号又从金星表面上反射回地球。如果雷达信号来回路程经过太阳表面附近，所经过的时间要比不经过太阳附近的情况变长。4.水星绕太阳运动的轨道与根据牛顿万有引力定律计算所得的不一致，这是一个在天文学史上长达百年的困惑。人们曾经怀疑可能在水星轨道内有一颗小行星，由于它的存在造成水星轨道的异常，然而始终未找到。爱因斯坦用新建立的引力场方程取代了经典的万有引力定律，计算结果和实际观测符合得很好，解决了天文学上的百年疑难。5.当两个天体相互绕转时，会向外界辐射处引力波。这一点也已被越来越精密的实际观测间接证明。实际上，广义相对论认为物体因具有质量而使其周围的时间和空间发生了“弯曲”，而引力正是这种“时空弯曲”的表现。在广义相对论中，时空观念比狭义相对论更推进了一步。时间、空间不仅显示出它们不是绝对的，而是相对的，它们组成了一个密切联系、不可分割的整体，并且它们不能脱离整个物质世界而单独存在。

爱因斯坦认为：要是物质不存在了，时间、空间也就不会再存在。时间和空间的各种性质和规律都与物质的质量、能量、运动状态等紧密相关。

牛顿则认为：时间和空间的性质“与外界任何事物”无关。三、宇宙的演化

在日常生活中，除重力外，与物体质量相关的引力没有任何明显的效果。在微观领域，引力更是完全可以忽略。但是在宇宙范围内，由于星体的质量巨大，时空弯曲就十分明显，而必须用广义相对论加以研究。实际的观测和理论研究（结合关于微观粒子的理论）已产生了