等效原理与广义相对论课件.pptVIP

8.5.1等效原理PrincipleofEquivalence伽利略發現：所有物體以同一加速度落到地面上。這項發現也就是慣性品質和引力品質完全相同的一個間接證明。實驗結果：在一引力場內同一地方的所有物體受到同樣的加速度。結論；所有物體的慣性品質和引力品質都是一樣的。等效原理與廣義相對論證明：在均勻引力場Eg中，作用在品質為m物體上的力：F=mEg加速度：a=F/m=Eg如果一個實驗者的實驗室是在一個引力場內的話，他將會觀察到所有他用來作試驗而沒有受到別的力作用的物體都受到一個共同的加速度，實驗者由此可以推斷到他的實驗室是在一個引力場內。但是這個推論並不是對於所觀察到的共同加速度這一現象的唯一可能的解釋。在討論相對運動時，如果一個在運動的觀察者相對一個慣性觀察者的加速度為ao，而慣性觀察者所測得的物體加速度為a，則在運動的觀察者所測得物體的加速度a’將是：a’=a-a0如果物體是自由的，慣性觀察者所測得的加速度a=0。所以被加速的觀察者所測得物體加速度就是a’=-a0於是所有自由的物體對被加速的觀察者而言都呈現一個共同的加速度-a0。這個情況和在引力場為Eg=-a0中的情形完全相同。地球引力場以地球慣性系觀測：E’gbaEgE’gbaEg等效加速度aoa’o以非慣性系（加速度為ao）觀測：地球因此，我們可以推斷：等效原理：一個觀察者無法通過力學規律來區別他的實驗室是在一均勻引力場中還是在一個相對於慣性系被加速的參考系中。因為就運動的描述而言，它表明引力場和一加速參考系之間的等效性。這樣，引力和慣性看來並非物質內部不同性質，而僅僅是一切物質的一個更基本的普遍特性兩個不同的方面。考察在a點和b點的地球引力場，引力場的大小和方向在這兩點都不一樣。我們可以認為局部點(在a點和b點附近)的引力場等效於不變的加速度，而這個加速度的大小從一點到另一點都是變化的。實際情況可能要複雜得多，因為“真正的”引力場不一定是均勻的。E’引地球baE引等效加速度aoa’o從這裏可以看出等效於某物體引力場的加速度，其大小和方向應當是空間座標的函數。例如：將慣性定律推廣到地球的非均勻引力場時，可以這樣來表述：一切重物的自然運動都是向地球中心加速降落。在引力場中物體運動軌道的彎曲並不是由於力的作用引起的，而是空間特殊性質的結果，這一點與牛頓理論有區別。例如，在重物附近，光並不按歐兒裏德的“直線”傳播，包括光束在內的一切物體(沒有外力時)都是按曲線軌道運動。因此，可以認為空間本身是彎曲的。歐兒裏德“直線”光束擺在我們面前的是兩種選擇：1、要麼認為物體附近的空間是歐兒裏德的，但任何物體都不按直線運動；2、要麼認為空間本身具有一定的曲率。愛因斯坦選擇了後者。愛因斯坦假設等效原理不僅僅適用於力學，而且也適用於所有物理學規律。事實上，沒有哪一類實驗能夠把勻加速運動同引力場的存在區別開來，這就是愛因斯坦提出的廣義相對論的基礎。這原理要求一切物理定律必須寫成和參考系的運動狀態無關的形式，廣義相對論的基本概念非常簡單，但是它的數學形式則相當複雜，在此我們定性討論等效原理的一些推論。8.5.2廣義相對論的實驗驗證1、光束彎曲當光束通過引力場時，根據等效原理，它的軌道應當彎曲。例如：星光經過太陽邊緣時，我們應當觀察到光束的“位移”，這種位移只有在日蝕時才可能發現。星太陽月亮地球1919年日全蝕期間，國際考察團對此進行了考察，考察人員在日蝕時刻拍攝了星空的照片，然後將這些照片與沒有太陽時這同一部分星空的照片相比較，發現星的位置移動了。這就證實了愛因斯坦關於光束從太陽近旁通過時要發生偏移的預言(角度偏移約1.75″)。光線在引力場中彎曲的一個必然推論是引力透鏡成象問題。早在1920年愛丁頓就提出引力場會聚成象可作為廣義相對論的一種檢驗；1936年愛因斯坦提出引力透鏡是散焦的，一般成雙象；後來有多人對此問題作了進一步的討論。但由於一直沒有觀測結果的支持，引力透鏡的思想長期受到冷落。1979年瓦爾什等人宣佈發現一對孿生類星體QSOS0