医学物理学-相对论初步课件.pptVIP

一、等效原理 1．惯性质量和引力质量 惯性质量m? 出现在牛顿第二定律中的质量，是物体惯性大小的量度 引力质量m 出现在万有引力定律中的质量，是物体在引力场中所受引力大小的量度 引力之舞 F引 引力场强 有关引力效应与加速度效应不可区分的一个理想实验 密封仓在没有引力作用 条件下作匀加速直线运动 小球对密封仓都以加速度 g 下落，仓内的观测者不能测出密封仓是处于引力场中，还是处于无引力作用的匀加速运动状态。 地 球 均匀的引力场中 密封仓停放于 爱因斯坦理想电梯实验 局域惯性系 引力和惯性力效果完全一样 弱等效原理(weak equivalence principle) 以任何力学实验都不可区分引力和惯性力的效果，引力和惯性力存在等效性 强等效原理(strong equivalence principle) 假定任何物理实验（包括力学、电磁学和其它等等）都不能区分引力和惯性力的效果 引力和惯性力的不可区分 意味着惯性系和非惯性系不可用物理实验来区分 广义相对性原理 (principle of general relativity) ---无论是惯性系还是非惯性系，物理定律的表达形式都相同。 光的引力偏移 广义相对论预言，引力场中的光线不再沿直线进行，而是偏向于引力场源的一側。这一效应，还可检验光子具有动质量 m = e /c 2 的事实。 1919年的日全蚀期间，科学家们分别在非洲和南美洲，对掠过太阳表面的恒星光线受太阳引力作用而发生偏移的效应进行测量，实测结果分别为 1.61″±0.40″和 1.98″±0.16″，与广义相对论预言相一致（若按牛顿引力理论推算，太阳引力对动质量为m的光子所造成偏移量只有 0.87″)。此类测量后来还进行过多次，结果都与广义相对论预言。 日全蚀 光线引力偏移 q 广义相对论预言 q = = 1.75″ 多次实测结果与预言相一致 R M 4GM c 2R 弯曲空间 光线 平直空间 光线 A B 引力场空间是弯曲空间 在局域惯性系中，光在真空中的传播速度仍然是c 引力场可以用无数多个加速度不同的局域惯性系取代 光在真空中的引力场中弯曲不会改变光的传播速度c 光在引力场中弯曲，同样是由引力时空的特性决定的：引力场中的时空是四维弯曲时空，即引力场使空间产生弯曲，或者说质量使空间产生弯曲。 从A到B的时间 所以t Δt0。 黑 洞 X 射 线 广义相对论预言，质量极大的天体，其引力可使时空发生极度弯曲，甚至在天体周围形成一个光波既不能发射又不能反射的区域，称为 “ 黑洞 ”。 黑洞是引力坍缩(gravitational collapse)的结果 体积为“无限小”而密度为“无限大”的奇态星体，其周围存在着极强的引力场，空间极其弯曲，时间无限膨胀而形成一个无底洞。任何物质（包括光子）一旦进入黑洞就永远不可能以原物态形式从黑洞中逃离出来。 引力场中作加速运动的物体将会发射出引力辐射或引力波(gravitational wave)。 它以光速将时空的形变传播出去。 引力波 * 地球 底盘 镜 镜 玻片 11 m 臂长 l = 590 nm 迈克耳孙干涉仪 观察记录 干涉条纹 相对速率 一、 迈克耳-莫雷实验 寻找以太 干涉仪转过 90°， 两臂位置取向互换， 光程差改变达极大， 条纹移动量亦达极大。 若 “以太” 观点成立， 预期有 0.4 根条纹移动量。 （仪器的灵敏度，可判断0.01 根条纹的移动量）。 实测结果 经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找 “以太” 著名的 “零结果”。 洛伦兹 迈克耳孙-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。该实验结果否定了“以太”假说----表明相对性原理的正确性 洛伦兹把伽利略变换修改为洛伦兹变换 在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组具有相对性原理所要求的协变性 洛伦兹变换--解决经典力学与经典电磁学间的矛盾（ 即迈克耳孙-莫雷实验的零结果） 爱因斯坦以真空光速独立于参考系为基础建立起新的时空观提出两条基本假设。 1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》--建立狭义相对论。 二、 狭义相对论的基本原理 ??光速不变原理 所有惯性系中，真空中的光速为 所有惯性系中，物理定律有相同形式 （适用于一切物理定律） 与光源运动无关 ??狭义相对性原理 三、 洛伦兹变换 描述两个惯性参考系的时空间坐标之间的变换关系 洛伦兹 * 正变换 S?S? 逆变换 S??S