文科物理-第3章现代物理学 第1节 相对论时空观

1、1第三章第三章 现代物理学现代物理学第一节相对论时空观第一节相对论时空观 2运动的时空运动的时空：v狭义相对论狭义相对论 狭义相对论诞生的背景狭义相对论诞生的背景 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 狭义相对论的重要预言狭义相对论的重要预言 v广义相对论广义相对论 广义相对论的等效原理广义相对论的等效原理 爱因斯坦引力场方程爱因斯坦引力场方程 广义相对论的重要推论广义相对论的重要推论 相对论的宇宙观相对论的宇宙观 v习题习题 3 李白的早发白帝城 运动的时空：运动的时空： 朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。运动是物质的根本属性和存在方式。 4o 时间和空间（

2、简称时空）是运动着的物质的存在形式。 空间是在测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向等性质中抽象出来的。 时间是从描述物体运动的持续性，以及事件发生的顺序中抽象出来的。 o 对于局限于惯性系（牛顿运动定律在其中有效的参考系）的理论我们称为狭义相对论。o 推广到一般参考系和包括引力场在内的理论则称为广义相对论。 5狭义相对论诞生的背景：狭义相对论诞生的背景：v19世纪末期 ，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成。 v两朵乌云：两朵乌云：（）迈克耳森莫雷实验并没有发现“以太”绝对参考系存在；（）黑体辐射实验出现的“紫外灾难”。6v相对性原理：所有惯性参考系都是

3、等价的，物理规律对于所有惯性参考系都可以表示为相同形式。 v两个相对运动的惯性参考系之间时空变换关系（也称洛伦兹变换）。 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 ：7v光速不变原理：真空中的光速相对于惯性系沿任何方向恒为 km/s，与光源和观察者是否运动无关。v在所有的惯性系中，真空中光的速率具有相同的值。v光速是实际物体运动的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。 300000c8狭义相对论的重要预言：狭义相对论的重要预言：v运动时钟的延缓：一个以速率v运动的参考系S（例如火车）中于固定地点发生了一个事件，相对于这个运动参考系中悬挂的钟表，此事件持续的时间间隔为t。相对于不动参考

4、系S（例如地面）中悬挂的钟表，此事件持续的时间间隔为t。那么221ttvc tt 9 “运动让你更年轻” 10v运动尺度的缩短：观察者A和B都带着一把长为 直尺，B相对A的匀速直线运动速率为 ，其方向沿着直尺指向（由左指向右）。当观察者B从相对地面静止的观察者A旁边走过时，在A看来B的尺子变短了。 0Lv220/1cvLL转换公式为： 11v质量的相对性：在相对论中，物体的质量随着它的运动速率增大而增大。如果把物体静止时的质量记为 ，那它高速运动时质量为 在低速运动情况下，物体的质量和静止质量差异很小。 0m0221/mmvc12v质能方程：在狭义相对论中，质量和能量有确定的对应关系。 2Em

5、c13广义相对论的诞生：广义相对论的诞生： 狭义相对论的相对性原理是建立在两个做相对匀速运动的惯性系里。没有真正解决经典力学中的已有难题。经典力学是无法回到惯性系在物理学中的优越性的，因此爱因斯坦意识到要进一步探明这个问题，就必须扩大相对性原理的应用范围。他将自己的研究领域从惯性系拓展到了加速运动的参考系，从而形成比狭义相对论范围更广阔、更普遍的理论：广义相对论。14广义相对论的等效原理：广义相对论的等效原理：v等效原理：在一个封闭的空间中，无法通过实验手段来判断该空间是静止在引力场中，还是在无引力场作用下的加速运动（也可表述成物体的惯性质量和引力质量必须等效）。 15爱因斯坦引力场方程：爱因

6、斯坦引力场方程：v爱因斯坦引力场方程： TcGRgR4821 方程左边描述的是时空性质的物理量，而右边对应物质的能量和动量分布，从而将时间、空间、质量、能量四者合而为一。 16广义相对论的重要推论：广义相对论的重要推论：v水星近日点进动 ：根据牛顿万有引力定律分析，水星绕太阳公转的轨迹是一条严格的椭圆轨道，但天文观测显示这条轨道不是闭合的曲线，而是有微小的转动。 17v光线弯曲现象：光线发生弯曲现象是否明显，取决于光源和观察者之间的引力场的大小（依赖于产生引力场天体的质量）。 18v引力红移：由广义相对论可推知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些。

7、 引力红移是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。 19v广义相对论的其它结论和应用： 雷达回波延迟，美国的GPS全球定位系统，中国的北斗卫星导航系统，以及欧洲伽利略全球卫星导航系统。 v中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力以及大尺度时空的拓扑结构等问题的研究正在深入，广义相对论已经成为物理研究的重要理论基础。 2021相对论的宇宙观：相对论的宇宙观：v天文学是人类祖先在游牧和农耕时，由于确定季节的需要而诞生的。v战国时期尸佼定义的宇宙：“四方上下曰宇，往古来今为宙”。v经典牛顿力学中，宇宙被认为在时空和空间上都是无限的。宇宙中的天体分布

8、在某个中心的周围，从这个中心向外，天体分布的密度逐渐减小，直到无限远处变成真空状态。 22v美国核物理学家、宇宙学家伽莫夫将相对论引入宇宙学，提出了热大爆炸宇宙学模型。热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密度的原始物质，温度超过几十亿度。随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的恒星、星系等天体。v观测证据：大尺度结构星系的分布，宇宙微波背景辐射，空间膨胀的哈勃关系，宇宙大爆炸早期元素丰度等。 23v广义相对论对于宇宙的时空性质给出三种预言： （1）闭合宇宙（先膨胀后塌缩） （2）开放宇宙（永远膨胀） （3）平直宇宙（永远膨胀） 24加速膨胀的宇宙：加速膨胀的宇宙：25 相对论作为物理学的重要组成部分，是近代物理学的两大支柱之一。爱因斯坦曾经这样开玩笑地描述他的相对论：“你和一个漂亮姑娘在公园长椅上坐一小时，觉得