1、1154 广义相对论简介教学目标1、了解广义相对论基本原理:广义相对性原理和等效原理2、广义相对论主要结论:物质的引力使光线弯曲和强引力场附近的时间进程会变慢3、介绍广义相对论的实验验证引 入1915 年，继狭义相对论发表 10 年之后，爱因斯坦又发表了广义相对论。这节课我们来了解一下广义相对论的基本原理和几个结论。一、超越狭义相对论的思考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题：1、引力问题，狭义相对论无法解释引力作用以什么速度传递；万有引力定律不满足洛伦兹变换，无法纳人狭义相对论的理论框架；2、非惯性系问题，狭义相对论是惯性参考系之间的理论, 为什么惯性参考系有这样特殊的地位？它们是促成广
2、义相对论的前提。爱因斯坦认真思考了以上问题，又向前迈进了一大步，把相对性原理推广到包括非惯性系在内的任意参考系，提出了广义相对性原理。二、广义相对性原理和等效原理1、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。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，这就是等效原理。爱因斯坦考虑要解决第二个问题，必须去掉惯性系在相对论理论中的特殊地位，把相对性原理从“任何惯性
3、系平权”推广到“包括非惯性系在内的任意参考系(即包括惯性系和非惯性系)平权” 。三、广义相对论几个结论以及相关实验验证从广义相对论两个基本原理出发，爱因斯坦预见性地提出了验证这一理论的几个著名实验。1、物质的引力使光线弯曲：光线经过强引力场中发生弯曲飞船外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（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。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
4、好的观测时间是发生日全食的时候物质的引力使时空弯曲，弯曲的时空又使光线弯曲的事实。1919 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，成功地观测到了太阳背后恒星发出的光线经过太阳附近发生弯曲的现象，并拍得了太阳背后恒星的照片。证实了爱因斯坦的预言这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。2到目前为止科学家对 400 多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。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
5、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一2、引力红移时间间隔与引力场有关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，靠近边缘的位置引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢在强引力的星球附近，时间进程会变慢。如宇宙中有一类恒星，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
6、地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移天文观测到了引力红移现象，验证了这一结论的成立。杆的长度与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲” 。引力导致时空弯曲，按照相对性原理，空间效应与时间效应是互相影响的，在发生空间弯曲效应的同时，时间膨胀效应也发生了。换句话说，我们观察到引力场空间弯曲的同时也将观测到引力场时钟变慢。广义相对论与几何学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
7、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3、水星轨道近日点的进动补充介绍牛顿的经典力学理论在描述行星运动时，其理论值与实际观测结果存在微小差异。由于场能空间分布的不均匀性，当水星运动到靠近太阳附近(近日点)时，场能影响较为显著，这种影响使得水星运行的椭圆轨道非常缓慢地绕太阳旋转，这就是“水星近日点进动”现象。爱因斯坦用广义相对论计算近日点的进动速率与实际观测结果取得了很好的一致。行星轨道旋转之谜的成功破译，是广义相对论再一次取得的伟大胜利。四、关于的宇宙大爆炸理论简单介绍宇宙大爆炸理论，说明按照广义相对论，宇宙就是无所不包的最大的时空，而且它的弯曲情况和物质的分布应该符合爱因斯坦方程。
