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1、第 二 十 四 章 相 對 論 簡 介 4 5、 廣 義 相 對 論 簡 介 相 對 論 簡 介 19世 紀(jì) 后 半 葉 ， 關(guān) 于 電 磁 場 的 研 究 不 斷 深 入 ，人 們 認(rèn) 識 到 了 光 的 電 磁 本 質(zhì) 我 們 已 經(jīng) 知 道 ， 電磁 波 是 以 巨 大 且 有 限 的 速 度 傳 播 的 ， 因 此 在 電 磁場 的 研 究 中 不 斷 遇 到 一 些 矛 盾 ， 這 些 矛 盾 導(dǎo) 致 了相 對 論 的 出 現(xiàn) 相 對 論 不 僅 給 出 了 物 體 在 高 速 運(yùn) 動 時 所 遵 循的 規(guī) 律 ， 而 且 改 變 了 我 們 對 于 時 間 和 空 間 的 認(rèn) 識

2、，它 的 建 立 在 物 理 學(xué) 和 哲 學(xué) 的 發(fā) 展 史 上 樹 立 了 一 座重 要 的 里 程 碑 如 果 在 一 個 參 考 系 中 牛 頓 定 律 能 夠 成 立 ， 這 個參 考 系 稱 作 慣 性 參 考 系 ， 牛 頓 運(yùn) 動 定 律 不 能 成 立 的 參考 系 則 是 非 慣 性 參 考 系 在 不 同 參考 系 中 觀察 物 體 的運(yùn) 動 情 況非 慣 性 系 和 慣 性 系 非 慣 性 系 和 慣 性 系 以 車 廂 為 參 考 系 ， 當(dāng) 列 車 加 速 運(yùn) 行 時 ， 小 球 會 相對 于 車 廂 加 速 向 后 運(yùn) 動 aa 光 滑 表 面 非 慣 性 系 和

3、慣 性 系 加 速 運(yùn) 動 的列 車 是 個 非慣 性 參 考 系 a為 了 讓 牛 頓 定 律 在非 慣 性 系 中 能 夠 成立 ， 引 入 慣 性 力 maF i 光 滑 表 面 非 慣 性 系 和 慣 性 系牛 頓 第 二 定 律 的 表 達(dá) 式 慣 性 力 的 定 義 式maF i maF “ ” 號 表 示 慣 性 力 的 方 向 與 非 慣性 系 的 加 速 度 方 向 相 反 注 意 不要 混 淆 非 慣 性 系 和 慣 性 系 以 加 速 上 升 的 電 梯 為 參考 系 ， 我 們 可 以 認(rèn) 為 乘 坐 電梯 的 人 除 了 受 到 重 力 的 作 用 ，還 受 到 一

4、個 向 下 的 慣 性 力 ，重 力 和 慣 性 力 的 合 力 使 人 感受 到 了 超 重 aa maG 21世 紀(jì) ， 人 類 在 空 間 站中 長 期 生 活 ， 為 了 克 服 失 重帶 來 的 不 利 影 響 ， 可 以 將 空間 站 設(shè) 計 成 一 個 大 轉(zhuǎn) 輪 ， 繞軸 自 轉(zhuǎn) ， 其 上 各 點(diǎn) 都 有 一 個指 向 轉(zhuǎn) 動 軸 的 向 心 加 速 度 ，因 此 ， 以 空 間 站 為 參 考 系 ，與 它 一 起 旋 轉(zhuǎn) 的 物 體 都 受 到一 個 背 離 轉(zhuǎn) 動 軸 的 慣 性 力 ，這 就 是 所 謂 的 人 造 重 力 非 慣 性 系 和 慣 性 系 慣 性 質(zhì)

5、量 和 引 力 質(zhì) 量地 面 靜 止 加 速 飛 行 a 引 力 和 慣 性 力 都 可以 使 物 體 加 速 下 落引 力 質(zhì) 量 慣 性 質(zhì) 量 廣 義 相 對 論 簡 介牛 頓 第 二 定 律 的 表 達(dá) 式 慣 性 力 的 定 義 式maF i maF “ ” 號 表 示 慣 性 力 的 方 向 與 非 慣性 系 的 加 速 度 方 向 相 反 注 意 不要 混 淆 “ m”應(yīng) 該 叫 做 慣 性 質(zhì) 量 慣 性 質(zhì) 量 和 引 力 質(zhì) 量 事 實(shí) 上 ， 到 目 前 為 止 的 一 切 實(shí) 驗 研 究 都 沒 有 找 到慣 性 質(zhì) 量 和 引 力 質(zhì) 量 之 間 的 差 別 ， 這

6、向 我 們 提 示 ： 加速 運(yùn) 動 的 參 考 系 和 萬 有 引 力 ， 二 者 之 間 可 能 存 在 某 種深 刻 的 聯(lián) 系 廣 義 相 對 論 簡 介狹 義 相 對 論 廣 義 相 對 論不 同 的 慣 性參 考 系 中 一切 物 理 規(guī) 律都 是 相 同 的 任 何 參 考 系（ 包 括 非 慣 性系 ） 中 物 理 規(guī)律 都 是 相 同 的真 空 中 的 光速 在 不 同 慣性 參 考 系 中都 是 相 等 的 一 個 均 勻 的 引力 場 與 一 個 做勻 加 速 運(yùn) 動 的參 考 系 等 價更 進(jìn) 一 步 等效原 理光速恒定愛 因斯 坦相 對性 原理 廣 義相 對性 原理

7、廣 義 相 對 論 的 兩 個 基 本 原 理 可 以 得 出 一 些意 想 不 到 的 結(jié) 論 廣 義 相 對 論 簡 介 廣 義 相 對 論 簡 介 在 一 個 引 力 可 以 忽略 的 宇 宙 空 間 有 一 艘 宇宙 飛 船 在 做 勻 加 速 直 線運(yùn) 動 ， 船 上 的 觀 察 者 記錄 光 的 徑 跡 是 一 條 拋 物線 a 半透明屏光源 等 效 原 理 物 體 的 引 力 能 使 光 線 彎 曲 假 設(shè) 飛 船 靜 止 ， 而 在 船 尾 存 在 一 個 巨 大 的 物 體 ， 在 它的 引 力 場 作 用 下 ， 飛 船 內(nèi) 的 物 理 過 程 受 到 影 響 廣 義 相

8、對 論 簡 介 通 常 物 體 的 引 力 場 都 太 弱 ， 20世 紀(jì) 只 能 觀 測 到 太 陽引 力 場 引 起 的 光 線 彎 曲 由 于 太 陽 引力 場 的 作 用 ， 我們 有 可 能 觀 測 到太 陽 后 面 的 恒 星 ，最 好 的 觀 測 時 間是 發(fā) 生 日 全 食 的時 候 1919年 5月 29日 ， 發(fā) 生 日 全 食 ， 英 國 考 察 隊 分 赴 幾 內(nèi) 亞 灣 和 巴 西 進(jìn) 行觀 測 ， 證 實(shí) 了 愛 因 斯 坦 的 預(yù) 言 ， 這 是 對 相 對 論 的 最 早 證 實(shí) 廣 義 相 對 論 簡 介 星 球 的 強(qiáng) 引 力 場 能 使 背 后 傳 來 的

9、 光 線 匯 聚 ， 這種 現(xiàn) 象 叫 做 引 力 透 鏡 效 應(yīng) 星 體星 體 無法觀 測 黑洞 宇 宙 中 很 可 能 存 在 黑 洞 ，它 不 輻 射 電 磁 波 ， 因 此 無 法 直接 觀 測 ， 但 是 它 的 巨 大 質(zhì) 量 和極 小 的 體 積 使 其 附 近 產(chǎn) 生 極 強(qiáng)的 引 力 場 ， 引 力 透 鏡 是 探 索 黑洞 的 途 徑 之 一 時 間 間 隔 與 引 力 場 有 關(guān) 引 力 場 的 存 在 使 得 空 間 不 同 位 置 的 時 間 進(jìn) 程出 現(xiàn) 差 別 對 于 高 速 轉(zhuǎn) 動 的 圓 盤 ， 除了 轉(zhuǎn) 動 軸 的 位 置 外 ， 各 點(diǎn) 都 在做 加 速

10、運(yùn) 動 ， 越 是 靠 近 邊 緣 ，加 速 度 越 大 ， 方 向 指 向 盤 心 地 面 上 看 到 ： 越 是 靠 近 邊 緣 ， 速 度 越 大 根 據(jù) 狹 義 相 對 論 ，靠 近 邊 緣 部 位 的 時 間 進(jìn) 程 較 慢 圓 盤 上 的 人 認(rèn) 為 ： 盤 上 存 在 引 力 場 ， 方 向 由 盤 心 指 向 邊 緣 ， 引 力 勢 較 低 ， 得 出 ： 引 力 勢 較 低 的 位 置 ， 時 間 進(jìn) 程 比 較 慢 各類星體對比 宇 宙 中 有 一 類 恒 星 ， 體 積 很 小 ， 質(zhì) 量 卻 很 大 ， 叫 做 矮 星 ，引 力 勢 比 地 球 低 的 多 ， 矮 星

11、表 面 的 時 間 進(jìn) 程 比 較 慢 ， 哪 里 的 發(fā)光 的 頻 率 比 同 種 的 原 子 在 地 球 上 發(fā) 光 頻 率 低 ， 看 起 來 偏 紅 ， 這個 現(xiàn) 象 叫 做 引 力 紅 移 時 間 間 隔 與 引 力 場 有 關(guān) 引 力 場 的 存 在 使 得 空 間 不 同 位 置 的 桿 的 長 度出 現(xiàn) 了 差 別 地 面 上 看 到 ： 越 是 靠 近 邊 緣 ， 速 度 越 大 根 據(jù) 狹 義 相 對 論 ，靠 近 邊 緣 部 位 的 桿 的 長 度 較 短 圓 盤 上 的 人 認(rèn) 為 ： 引 力 勢 較 低 的 位 置 ， 桿 的 長 度 越 短 桿 的 長 度 與 引

12、力 場 有 關(guān) 引 力 勢由 高 到低 變 化 桿 的 長 度 與 引 力 場 有 關(guān) 由 于 物 質(zhì) 的 存 在 ， 實(shí) 際 空 間 并 不 是 均 勻 的 ， 空 間發(fā) 生 了 “ 彎 曲 ” ： 點(diǎn) 擊 觀 看 對 于 時 空 觀 的 認(rèn) 識 物 質(zhì) 本 身 的 存 在 決定 時 空 的 性 質(zhì)時 空 性 質(zhì) 和 物質(zhì) 的 運(yùn) 動 有 關(guān)狹 義 相 對 論 廣 義 相 對 論慣 性 系 平 權(quán) 所 有 參 考 系 平 權(quán)時空觀光 速 恒 定 等 效 原 理 廣 義 相 對 論 與 幾 何 學(xué) 幾 何 學(xué) 反 應(yīng) 的 是 人 對 空 間 關(guān) 系 的 認(rèn) 識 有 史 以來 人 們 只 在 比 較 小 的 空 間 尺 度 中 接 觸 比 較 弱 的 引 力場 這 種 情 況 下 空 間 的 彎 曲 可 以 忽 略 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上人 類 發(fā) 展 了 歐 幾 里 得 幾 何 學(xué) ， 它 反 映 了 平 直 空 間 的實(shí) 際 廣 義 相 對 論 告 訴 我 們 實(shí) 際 空 間 是 彎 曲 的 ， 因此 描 述 實(shí) 際 空 間 的 應(yīng) 該 是 更 具 有 一 般 意 義 的 非 歐 幾何 作 為 非 歐 幾 何 的 特 例 ， 歐 幾 里 得 幾 何 學(xué) 在 它 的適 用 范 圍 內(nèi) 仍 是 正 確 的 ， 還 將 繼 續(xù) 發(fā) 揮 作 用