广义相对论效应优秀PPT.ppt
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1、广义相对论效应你现在浏览的是第一页,共62页 9岁的爱德华:“爸爸,你为什么这样出名?”爱因斯坦:“你看见没有 ,当瞎眼的甲 虫沿着球面爬 行的时候,它 没发现它爬过 的路径是弯的,而我有幸地发 现了这一点。”你现在浏览的是第二页,共62页广义相对论广义相对论的基本原理的基本原理 所有参考系都是平权的,物理所有参考系都是平权的,物理定律必须具有适用于任何参考系定律必须具有适用于任何参考系的性质。的性质。你现在浏览的是第三页,共62页强等效原理:在每一事件在每一事件(时空点时空点)及其邻域及其邻域里存在一个局域惯性系里存在一个局域惯性系,即与在引力场即与在引力场中自由降落的质点共动的参考系,在此
2、中自由降落的质点共动的参考系,在此局域惯性系一切物理定律具有狭义相对局域惯性系一切物理定律具有狭义相对论的形式论的形式。你现在浏览的是第四页,共62页注意到弱等效原理弱等效原理惯性质量=引力质量 局域惯性系的惯性力是引力的一种形式即惯性力等效于引力你现在浏览的是第五页,共62页爱因斯坦电梯你现在浏览的是第六页,共62页你现在浏览的是第七页,共62页“引力场等效加速度引力场等效加速度”?如如果果 说说 “引引力力场场等等效效加加速速度度”,此此结结论论未未免免过过于于粗粗糙糙。事事实实上上,引引力力场场并并非非简简单单地地等等效效加加速速度度,应应该该是是“引引力力场场中中任任一一点点及及其其邻
3、邻域域,等等效效于于同同处处存存在在一一个个局局部部自自由由降降落落的的参参考考系系局局部部惯惯性性系系,在在其其中中狭狭义义相相对对论论定定律完全适用。律完全适用。”你现在浏览的是第八页,共62页一个定性例子一个定性例子 有有P P、P P两位观测者,两位观测者,P P在远离球对在远离球对称引力源无穷远的称引力源无穷远的K K系处;系处;P P 在爱在爱因斯坦自由降落的因斯坦自由降落的K K系中,即系中,即P P所受的所受的引力和惯性力抵消,处于失重状态。引力和惯性力抵消,处于失重状态。P P所在的为全局惯性系,所在的为全局惯性系,P P所在的即所在的即为局部惯性系。为局部惯性系。你现在浏览
4、的是第九页,共62页K K系系(局域惯性系局域惯性系):):设有一宇宙飞船在星球引力设有一宇宙飞船在星球引力场中自由降落场中自由降落,它从很远的地方它从很远的地方O O(在那里星球引力几乎不存在在那里星球引力几乎不存在)开始自由降落开始自由降落,经一定时间它到经一定时间它到达距球心为达距球心为 r r 的地方的地方 P P.在在此局域惯性系一切物理定律具此局域惯性系一切物理定律具有狭义相对论的形式。有狭义相对论的形式。你现在浏览的是第十页,共62页K K系系(非惯性系非惯性系)两种等效的观点:(1)星球参考系是相对惯性系K向上作加速运动的非惯性系K,所谓“引力”不过是其中惯性力的表现。(2)星
5、球参考系是个有引力场的静止参考系,这也是非惯性系。你现在浏览的是第十一页,共62页采用观点(1)当飞船离星体很远时,它当飞船离星体很远时,它对惯性系对惯性系K K静止,其固有静止,其固有时空间隔为时空间隔为d dt t、d dr r.到到达星体附近时已具有速度达星体附近时已具有速度其时空间隔变为其时空间隔变为d dt t、d dr r你现在浏览的是第十二页,共62页你现在浏览的是第十三页,共62页切换到观点(2)即K是个有引力场的静止系。按等效原理,dt、dr应理解为无穷远无引力场处观察者测得引力场中的时空间隔,而dt、dr 是引力场中观察者测得夲处的固有时空间隔。你现在浏览的是第十四页,共6
6、2页上式意味着:在引力场中发生的物理过程,在远处在引力场中发生的物理过程,在远处观察,其时间节奏比远处观察者当地的观察,其时间节奏比远处观察者当地的固有时慢,其空间距离比远处观察者当固有时慢,其空间距离比远处观察者当地的固有长度短。这就是引力产生的时地的固有长度短。这就是引力产生的时空效应。空效应。引力的时空效应引力的时空效应你现在浏览的是第十五页,共62页引力场中的能量守恆关系引力场中的能量守恆关系设离引力场无穷远处引力势能为零你现在浏览的是第十六页,共62页引力的时空效应示意图你现在浏览的是第十七页,共62页 星体附近的局域惯性系K相对于惯性系K的速度为你现在浏览的是第十八页,共62页按狭
7、义相对论的洛仑兹变换:你现在浏览的是第十九页,共62页 上式中dt、dr应理解为无穷远无引力场处(惯性系K)观察者测得引力场(局域惯性系K)中的时空间隔。dt、dr是引力场(局域惯性系K)中的固有时空间隔。你现在浏览的是第二十页,共62页引力的时空效应引力的时空效应可以得出以下结论在引力场(局域惯性系K)中发生的物理过程,在远处(惯性系K)观察,其时间节奏比当地固有时慢,其空间距离比当地的固有长度短。你现在浏览的是第二十一页,共62页广义相对论的时空描述广义相对论的时空描述 广义相对论下的时空描述,对初学者说时广义相对论下的时空描述,对初学者说时空是弯曲的,不好理解。如果预先建立了空是弯曲的,
8、不好理解。如果预先建立了“等效局域惯性系等效局域惯性系”的概念,则对应不同的引的概念,则对应不同的引力场点的极小邻域有不同的局域惯性系,不力场点的极小邻域有不同的局域惯性系,不同的局域惯性系中有不同的空间收缩和时间同的局域惯性系中有不同的空间收缩和时间延缓,这样对整个的时空不再是平坦的也就延缓,这样对整个的时空不再是平坦的也就比较好理解了。比较好理解了。你现在浏览的是第二十二页,共62页 星体附近的局域惯性系K相对于惯性系K的速度为你现在浏览的是第二十三页,共62页你现在浏览的是第二十四页,共62页上式意味着:在引力场中发生的物理过程,在远处观察,其时间节奏比远处观察者当地的固有时慢,其空间距
9、离比远处观察者当地的固有长度短。这就是引力产生的时空效应引力的时空效应引力的时空效应你现在浏览的是第二十五页,共62页你现在浏览的是第二十六页,共62页总而言之 星体附近r 处的局域惯性系K相对于惯性系K 的速度为你现在浏览的是第二十七页,共62页引力场中引力场中粒子速度变慢粒子速度变慢由洛仑兹变换可知,K系中观测到K中的粒子速度为引力场中光速变慢引力场中光速变慢你现在浏览的是第二十八页,共62页时空弯曲 由于引力场在不同的时空点(局域惯性系K)其时空间隔的变换有有不同的比值(因为每个不同的比值(因为每个时空点的速度不同),故出现),故出现时空的不均匀。的不均匀。(这是这是时空弯曲的一个定性形
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