吉大力学12第十二章

.,第十二章广义相对论、宇宙学与天体物理,广义相对论简介,宇宙学与天体物理初步,力学电子教案,.,一、狭义相对论的两个遗留问题二、广义相对论的理论基础1.等效原理（解决万有引力与参考系的矛盾）2.引力场方程（解决万有引力与狭义相对论不相容）3.广义协变性原理（将关系系规律推广至任何参考系）三、广义相对论预言现象与实验验证,广义相对论简介,返回上级目录,力学电子教案,.,一、宇宙的物质结构与年龄二、宇宙的统一整体性-宇宙学原理三、宇宙在膨胀-哈勃定律与奥勃斯佯谬四、宇宙的起源-大爆炸理论模型五、暗物质与暗能量六、恒星的演化七、发光星体的观测分类,宇宙学与天体物理初步,返回上级目录,力学电子教案,.,狭义相对论的两个遗留问题万有引力与惯性参考的矛盾自然界中广泛存在万有引力，真正的惯性系在哪？2.经典万有引力表达式与狭义相对论不相容（1）万有引力表达式意味着引力传播的超距作用（2）万有引力在洛伦兹变化下不具有协变性,返回上级目录,力学电子教案,.,等效原理1.等效原理（动画演示）就质点力学而言，一个加速参考系内的惯性力场同一个均匀的引力场等效，一个非惯性系就可以等效为惯性系2.惯性系与局部惯性系等效原理表明，在引力场均匀的区域，用变换到一个加速参考系的方法可使引力场“变换掉”，成为严格的惯性系。如果引力场整体不均匀，惯性力不能完全抵消掉引力，但在局部范围内，近似认为惯性力与引力产抵消-局部惯性系,返回上级目录,力学电子教案,.,引力场方程1.由万有引力定律到引力场方程的改造万有引力定律改造成泊松方程，以张量表述，得到普适的规律-引力场方程，满足协变性原理2.由经典的引力场到近代时空结构的理解经典意义上产生的引力场，对应物质所决定的时间和空间的几何结构。举例，测地线方程：惯性直线运动，行星的弯曲运动（1919年，爱因斯坦对9岁的儿子爱德华：“你看见没有，当瞎眼的虫子沿球面爬行的时候，它没有发现它爬过的路径是弯曲的，而我有幸地发现了这一点”）3.引力场（弯曲时空中）的坐标钟与坐标尺（与无引力场比）引力场使时钟变慢，空间距离变长,力学电子教案,.,返回上级目录,力学电子教案,.,广义协变性原理广义协变性原理将惯性系的规律推广至任何从参考系把狭义相对论方程中有关的物理量和微分关系（如对时间的微分等）改换为相应的广义张量，在局部洛伦兹坐标变换下，其规律适用一切坐标系。,狭义相对论与广义相对论的总体概述狭义相对论：惯性参考系之间的时空和物理定律的变换规律。广义相对论：物质如何影响时空结构（引力场方程）其他物质在该时空结构中如何运动（等效原理、广义协变性原理）狭义相对论写出了多个小片段的“脚本”，而广义相对论，即由物质质量和分布所决定的时空几何则是“整出戏的总编剧”。,返回上级目录,力学电子教案,.,预言现象与实验验证,引力时间延缓-引力红移,时空弯曲-水星轨道进动,光线偏折-星体位置偏移,光速减慢-雷达回波延迟,黑洞-未被实验证实,广义相对论预言现象与实验验证,广义相对论基础原理,返回上级目录,引力波与引力子,力学电子教案,.,光线偏折星体位置偏移,光线偏折：等效原理解释,实验证据：星体位置偏移,返回上级目录,力学电子教案,.,引力使时钟变慢：由引力场方程导出对应波长红移,实验证据：星体位置偏移,返回上级目录,力学电子教案,.,时空弯曲水星轨道进动,时空弯曲：引力场方程导出,实验证据：水星轨道进动,动画演示,返回上级目录,力学电子教案,.,光速减慢-雷达回波延迟,光速减慢：引力场方程导出,实验证据：雷达回波延迟,返回上级目录,力学电子教案,.,黑洞-未被证实的现象,史瓦西半径,物质所发出光相对于远处观察者趋向于零，无法获得直接观测数据，而只能靠物质的巨大引力场使人们感知它的存在！,返回上级目录,力学电子教案,.,引力子与引力波,返回上级目录,力学电子教案,.,宇宙的物质结构与年龄,宇宙结构,银河系,上千亿个河外星系,星体：黑洞、中子星、恒星、白矮星、行星、卫星等等星际物质：星际气体、尘埃、星云、星际磁场、暗物质、暗能量等等,宇宙空间距离上限:200亿光年宇宙时间年龄上限：100至200亿年。太阳系的年龄大约：45亿至50亿年,动画演示,返回上级目录,力学电子教案,.,宇宙的统一整体性-宇宙学原理,托勒密地心说：地球是宇宙中心哥白尼日心说：太阳是宇宙中心宇宙学原理：宇宙中没有任何一点具有优越性，所有位置都是平权的,返回上级目录,力学电子教案,.,宇宙在膨胀,力学电子教案,.,返回上级目录,.,宇宙的起源,力学电子教案,.,力学电子教案,.,力学电子教案,.,力学电子教案,.,图12.8-1,返回上级目录,力学电子教案,.,暗物质与暗能量