1、15.4 广义相对论简介,一、超越狭义相对论的思考,狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和赞叹之中，这时爱因斯坦自己却在冷静地思考着狭义相对论所无法解决的问题。,1、引力问题,2、非惯性系问题,万有引力定律无法纳入狭义相对论的理论框架；,狭义相对论只对惯性系适用，对牛顿运动定律不成立的非惯性系却不适用，为什么惯性系具有这样特殊的地位？狭义相对论无法解释。,万有引力与电磁力有很多相似之处，例如，两个相互作用的物体之间都不需要直接接触。狭义相对论指出，电磁相互作用的传播速度c是自然界中速度的极限。引力的作用又以什么速度传递？难道一个星球对另一星球的引力是以超过光速的速度施加影响的吗？这是狭义相对
2、论所不允许的。,演示1,1、广义相对性原理：,伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系都是相同的,爱因斯坦狭义相对性原理(1905年)在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的；,爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律都是相同的，称为广义相对性原理。,逻辑形式逐渐简约,二、广义相对性原理和等效原理,在任何参考系中，物理规律都是相同的。,2、等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。,（飞船内部的任何物理过程都不能告诉我们，飞船到底是停泊在一个星球的表面，还是在加速远离天体）,三、广义相对论的几个结论,1、物质的引力使光线发生弯曲,半透明
3、屏,光源,飞船外静止观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）,如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条直线（蓝虚线）,如果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。,假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，根据等效原理，在引力场作用下的一切物理规律和一个做匀加速运动的参考系等价。,等效原理,物质的引力能使光线弯曲,在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船,通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲,由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候, 1
4、919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实,星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应,星体,星体,无法观测,黑洞,宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一,小质量星体,大质量星体,2、引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别,对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心,地面上的人看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程
5、较慢,圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢,3、引力红移,各类星体对比,宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移,由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：,弯曲空间,几何学反应的是人对空间关系的认识有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描
6、述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用,狭义、广义相对论比较,狭义相对论,广义相对论,不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的,任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的,真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的,一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价,更进一步,等效原理,光速恒定,爱因斯坦相对性原理,广义相对性原理,对于时空观的认识,物质本身的存在决定时空的性质,时空性质和物质的运动有关,狭义相对论,广义相对论,惯性系平权,所有参考系平权,时空观,光速恒定,等效原理,旋转黑洞,质量超过太阳四倍的星球
7、在燃尽自己的燃料走到生命尽头的 时候会在自身重力作用下崩溃，爆炸结果就形成了巨大的黑洞， 其中心存在一个巨大的重力区，所有接近的物体都会被吞噬，光 线也不例外，这也是黑洞得名的原因。,旋转黑洞又叫做克尔黑洞，是一种旋转的黑洞，可以在时光 旅行中作为入口。1963年新西兰数学家罗伊克尔提出了关于旋 转黑洞的第一个现实的理论，认为垂死的星球会在大爆炸过程中 形成一个旋转的中子环，巨大的离心力不会使之形成奇异点，进 入这样的黑洞 相对施瓦兹黑洞要安全得多，不用担心被中心的无 穷重力压碎。,科学漫步,时光旅行,虫洞,在太空中质量作用于宇宙中的不同地方最终就会形成一个通 道虫洞。虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质 。暗物质维持虫洞出口的敞开。人们认为“虫洞”就是连接宇宙 遥远区域间的时空细管，通过它人类就可以很快地到达地球以外 的其他星球。,科学漫步,时光旅行,科学漫步,时光旅行,想旅行吗？,科学漫步,时光旅行,返 回,
