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第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理 由牛顿力学到狭义相对论，基本观念的发展是，由牛顿力学到狭义相对论，基本观念的发展是，其一：由一切惯性系对力学规律都是等价的到一切惯其一：由一切惯性系对力学规律都是等价的到一切惯性系对所有物理规律都是等价的；其二：由绝对时空性系对所有物理规律都是等价的；其二：由绝对时空到时空与运动有关。到时空与运动有关。爱因斯坦进一步的思考：非惯性爱因斯坦进一步的思考：非惯性系与惯性系会不平权吗？物质与运动系与惯性系会不平权吗？物质与运动密不可分，那么时空与物质有什么关密不可分，那么时空与物质有什么关系？关于惯性和引力的思考，是开启系？关于惯性和引力的思考，是开启这一迷宫大门的钥匙，最终导致广义这一迷宫大门的钥匙，最终导致广义相对论的建立。相对论的建立。在引力场中，一个自由降落的参考系中，人们无在引力场中，一个自由降落的参考系中，人们无法感觉引力的存在！法感觉引力的存在！g引力场中引力场中第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理一一 等效原理等效原理(1)惯性质量和引力质量惯性质量和引力质量牛顿定律中的惯性质量牛顿定律中的惯性质量mi：牛顿万有引力定律中的引力质量牛顿万有引力定律中的引力质量mg：式中式中Mg也是惯性质量。也是惯性质量。实验表明，在引力场中的同一点，所有物体的实验表明，在引力场中的同一点，所有物体的加速度加速度g都相同。所以，对一个自由落体都相同。所以，对一个自由落体对一切物体，对一切物体，=常数常数第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理若这个常数等于若这个常数等于1，就有，就有即引力质量和惯性质量相等。即引力质量和惯性质量相等。大量的实验证实，引力质量和惯性质量相等。大量的实验证实，引力质量和惯性质量相等。(2)等效原理等效原理 爱因斯坦将引力质量和惯性质量相等的事实推爱因斯坦将引力质量和惯性质量相等的事实推广为广为等效原理等效原理，并作为广义相对论的基础。，并作为广义相对论的基础。设想在宇宙飞船中做实验：在地面时设想在宇宙飞船中做实验：在地面时当人松开物体当人松开物体mg时，物体以时，物体以g=9.8m/s2的加速度落向飞的加速度落向飞船底部。船底部。第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理 若飞船是在远离星球的自由空间飞行，在火箭的若飞船是在远离星球的自由空间飞行，在火箭的推动下以推动下以a=9.8m/s2的加速度上升，则飞船中的物体受的加速度上升，则飞船中的物体受到惯性力的作用，大小为到惯性力的作用，大小为 如果把手松开，物体仍以如果把手松开，物体仍以a=9.8m/s2的加速度落向的加速度落向飞船底部。飞船底部。爱因斯坦假想实验一爱因斯坦假想实验一自由空间加速电梯自由空间加速电梯引力场中静止的电梯引力场中静止的电梯比较比较引力引力惯性力惯性力第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理 加速参考系等效于引力场。加速参考系等效于引力场。宇航员无法宇航员无法 判断飞判断飞船在加速还是匀速飞离一个星球。船在加速还是匀速飞离一个星球。由于引力质量与惯性质量相等，我们无法根据由于引力质量与惯性质量相等，我们无法根据上述两个实验来区分那一个是静止在地面的飞船上述两个实验来区分那一个是静止在地面的飞船(电电梯梯)中做的，哪一个是在自由空间中加速的飞船中做的，哪一个是在自由空间中加速的飞船(电电梯梯)中做的。爱因斯坦将此结果表述为等效原理。中做的。爱因斯坦将此结果表述为等效原理。等效原理等效原理 在一个相当小的区域范围内，不可能通过实验在一个相当小的区域范围内，不可能通过实验来区分引力和惯性力，它们是等效的。来区分引力和惯性力，它们是等效的。一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价!或者或者第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理爱因斯坦假想实验二爱因斯坦假想实验二引力场中某一时空引力场中某一时空点点自由下降自由下降电梯电梯比较比较惯性力惯性力“抵消抵消”了引了引力。力。远离引力场的自由空远离引力场的自由空间间匀速匀速运动的电梯运动的电梯(3)局域惯性系局域惯性系 引力场中自由下降的参考系引力场中自由下降的参考系局域惯性系局域惯性系等效等效于于真正的惯性系真正的惯性系(不受任何外力的自由物体不受任何外力的自由物体)。根据爱因斯坦的等效原理，可以得出：所有的物理定根据爱因斯坦的等效原理，可以得出：所有的物理定律在自由空间作匀速直线运动的惯性系中的形式，与在律在自由空间作匀速直线运动的惯性系中的形式，与在引力场中作自由降落的局域惯性系中的形式完全相同。引力场中作自由降落的局域惯性系中的形式完全相同。第六章第六章第六章第六章 广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介6-1 6-1 广义相对论原理广义相对论原理二二 广义相对论原理广义相对论原理 一切自然定律在任何参考系中都应该具有相同一切自然定律在任何参考系中都应该具有相同的形式的形式 广义相对性原理。广义相对性原理。u 广义相对论的等效原理广义相对论的等效原理 equivalence principleequivalence principle 局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效 或说：或说：在任何引力场中任一时空点，人们总可以在任何引力场中任一时空点，人们总可以建立一个自由下落的建立一个自由下落的局域参考系局域参考系，在这一参考系中狭，在这一参考系中狭义相对论所确立的物理规律全部有效。义相对论所确立的物理规律全部有效。小结小结 广义相对论基本原理广义相对论基本原理 1)等效原理；等效原理；2)相对性原理；相对性原理；3)马赫原理马赫原理 Mach principle：时空性质由物质及时空性质由物质及其运动所决定。其运动所决定。