广义相对论简介.ppt
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广义相对论简介,广义相对论:
研究空间、时间和引力的理论,狭义相对论:
广义相对论在无引力存在时的特例,(generalrelativity),狭义相对论的缺陷:
承认惯性系的特殊地位。
不能建立令人满意的引力理论。
爱因斯坦的思考1、非惯性系与惯性系平权?
2、时空与物质有关?
广义相对论,牛顿的引力论,超越了,一、非惯性系与惯性力,在非惯性系中,经典力学定律不再成立.,在地面观测者(惯性系S)看来,m受力,在转盘上的观测者(相对转盘静止,非惯性系S)看来,m受力但并没有产生加速度.,在非惯性系中定义虚拟力:
惯性力,为了在非惯性系中也能利用经典力学定律建立方程,则非惯性系中的牛顿定律形式为:
注意:
1、上式表面上是非惯性系的,实质上是惯性系的变形而已,当物体相对非惯性系保持静止时,,因此在非惯性系中定义虚拟力:
惯性力,则非惯性系中的牛顿定律形式为:
注意:
上式表面上是非惯性系的,实质上是惯性系的变形而已,2、惯性力是一个虚拟的力,没有施力的物体,也没有反作用力;它不是物体间相互作用力,而只是非惯性系加速度的反映.,3、引入惯性力,在非惯性系中可用惯性力来解释象。
A物体因受惯性力而向后作加速运动,而B物体因弹性力与惯性力平衡而静止。
二、等效原理惯性质量与引力质量,在大约10-8的相对精度内,两者相等。
引力场和加速度的效应等价。
等效原理:
一个均匀的引力场与一个匀加速运动的非惯性系等效。
引力场与加速度系统等效性说明,判断:
(1)可能密封舱在一个与外界隔绝的自由空间(无引力作用)以a=g加速向上所致。
假设:
宇宙飞船中的密封舱内宇航员放开手中小球。
结果:
小球以g加速下落。
假想实验一,
(2)可能密封舱停在地面,小球受引力所致。
引力场与加速度系统等效性说明,判断:
(1)可能密封舱在一个与外界隔绝的自由空间(无引力作用)匀速直线运动所致。
假设:
宇宙飞船中的密封舱内,宇航员放开手中小球,结果:
小球浮在空中不动,假想实验二,
(2)可能密封舱在引力场中自由下落,小球受向下的引力和向上的惯性力,二力平衡。
结论:
惯性力与引力等效或引力场与加速场等效,局域等效,等效并非等同,广义相对论的等效原理equivalenceprinciple局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效,三、广义相对论原理与时空弯曲,广义相对性原理:
一切参考系(惯性系与非惯性系)都是平权的,物理学定律在所有的参考系中都具有相同的数学形式.,非惯性系里的时空,S系,一个非惯性系。
绕转轴以半径r作一圆周。
所有点都静止。
S系,一个惯性系。
所有点沿切线方向运动。
小结广义相对论基本原理1)等效原理2)相对性原理时空性质由物质及其运动所决定,根据等效原理,在S系看来,在转动的非惯性系中,圆的周长s2r,非惯性系的空间是弯曲的。
系:
与盘边缘点相连瞬时惯性系,根据等效原理转动参考系等效为引力场引力场强是,愈强弯曲愈烈,1.引力使光线偏转,引力的作用1)光线偏离测地线2)空间弯曲,1919年5月29日非州日全食英国队测,恒星光线受太阳引力偏折,理论上:
四、广义相对论的可观测效应,观察到太阳背后恒星,证明了引力场内空间是弯曲的,固有时:
由静止在该处的标准钟测得的时间间隔真实距离:
由静止在该处的标准尺测得的空间间隔,刚性微分尺,2.引力时间延缓,系的确定时空点处的标准钟C测得的是原时,同样在确定的时空点的标准尺测的是原长,星球,飞船,弱引力场牛顿近似飞来惯性系S到达r处的速度由下式定出,飞船,星球,4)时空与物质分布有关,r处的观测时,r邻域的运动长度,2)引力场大小,引力场愈强,3)引力场愈强尺缩愈烈,空间弯曲,时缓尺缩效应越明显,光的引力红移,从星球表面r=R处发出固有周期的光子,我们从远处看的周期,引力红移效应,红移z定义,引力红移gravitationalredshift,若太阳发光,引力时缓尺缩效应及引力红移,远离引力中心的地方观察引力场中发生在不同地点的同一物理过程,引力场越强的地方,观测时间越慢,空间距离越短,即引力的时缓尺缩效应越显著。
物质光谱周期变长,频率发生变化,引力红移,结论,牛顿理论:
行星的轨道是严格闭合的椭圆,观测表明:
行星的轨道并不严格闭合,它们的近日点存在进动现象,即椭圆的长轴也缓慢转动。
广义相对论:
太阳附近的时空连续系统的弯曲性质,必然引起水星轨道产生进动。
牛顿力学预言水星进动每世纪5557.62,水星进动实际观测值每世纪5600.73“,相差43.11“,广义相对论理论预言水星进动每世纪有43.03“附加值,3.水星近日点的旋进,五、黑洞,如果引力源质量M很大,对应有关值,对黑洞的预言是广义相对论的杰作,史瓦西半径(引力半径),发现:
在这个奇异的球面上发生一个物理过程,从很远地方观察,则它的时间趋于无限长,尺度等于零,频率等于零,光速也变为零。
这个奇异球面对远处的观测者完全是黑的。
例,对于一个半径为r,质量为M的均匀星体,牛顿定律给出的逃逸速度是,如此星体的质量非常大以至于给出的速度比光速还大时,光就不能从中射出了,这个形体就成了黑洞了.,与广义相对论给出的公式相同,这种质量完全分布在引力半径内的体系称为黑洞。
称为黑洞的视界,设想宇航员乘飞船从外部驶向引力中心,并在外没有遇到其它天体的表面.,固定在引力中心的系统,远离引力中心的观察者,宇航员和飞船,当宇航员驶向时,他所携带的时钟走得越来越慢,飞船也越来越小.在无限接近时,他的时钟停顿下来,时间凝固了,他永远到不了处.,引力中心永远是一个奇点,引力中心向他加速冲来,速度越来越大,当越过边界时,引力中心冲向他的速度达到光速,他永远成了“奇点”的一部分,再也无法返回家了,也无法在与家人通讯.,史瓦西半径奇异球面将引力场分成两个部分:
1、球面上只存在物质和信息单向流动。
外部流向内部。
2、内部任何物体从外部看不到。
只有引力仍然作用在史瓦西半径以外。
黑洞:
质量全部分布在史瓦西半径以内的物体。
事件的视界:
史瓦西半径所规定的界面。
半径压缩到3000m以内,半径压缩到0.01m以内,
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