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1、广义相对论阿尔伯特阿尔伯特 爱因斯坦爱因斯坦1879 19551905年：年：建立狭义相对论建立狭义相对论1916年：年：建立广义相对论建立广义相对论为什么在狭义相对论框架为什么在狭义相对论框架中不能建立令人满意的引中不能建立令人满意的引力理论？力理论？广义相对性原理 广义相对性原理：所有参考物体，不论它们的运动状态如何，对所有参考物体，不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然定律）都是等效于描述自然现象（表述普遍的自然定律）都是等效的。的。弯曲的时空弯曲的时空 爱因斯坦认为：火箭舱中爱因斯坦认为：火箭舱中存在局部等效引力场，在存在局部等效引力场，在这种这种引力场中时空是弯曲引
2、力场中时空是弯曲的。的。非惯性系非惯性系 引力场引力场 时空弯曲时空弯曲 广义相对论广义相对论 弯曲的时空 欧几里得空间：欧几里得空间：欧几里得空间：欧几里得空间：非欧几里得空间：非欧几里得空间：非欧几里得空间：非欧几里得空间：弯曲的时空 结论：结论：在引力场（或非惯性系）中，欧几里得几何在引力场（或非惯性系）中，欧几里得几何学命题不成立。学命题不成立。同一非惯性系中没有同一非惯性系中没有统一的时间。统一的时间。S系：系：圆盘边缘的时钟走圆盘边缘的时钟走得慢是因为运动的结果；得慢是因为运动的结果；系：系：边缘上的时钟走得边缘上的时钟走得较慢是因为处于较强的惯较慢是因为处于较强的惯性力场（性力场
3、（“引力场引力场”）中。）中。结论：结论：引力场较强处比引力场较弱处时间流逝得较引力场较强处比引力场较弱处时间流逝得较慢。慢。三角形内角之和大于三角形内角之和大于180 圆周率小于圆周率小于广义相对论的实验验证广义相对论的实验验证 光线在引力场中弯曲 水星近日点的进动 水星是最靠近太阳的一颗行星，按牛顿力学的观点，水星运动轨道应该是一个固定的椭圆。从天文资料分析，这个椭圆轨道在不断地缓慢进动。在消除了地球不是一个真正的惯性系，以及其他行星对水星的引力摄动作用的影响后。仍然还有每百年42.6的进动。引力红移 广义相对论结论：广义相对论结论：引力场越强的地方时间延缓效应引力场越强的地方时间延缓效应
4、越明显。越明显。引力红移：引力红移：从大质量天体发出的光，由于处于强引从大质量天体发出的光，由于处于强引力场中，其光振动周期要比同一种元素在地球上发力场中，其光振动周期要比同一种元素在地球上发出光的振动周期长，由此引起光谱线向红光波段偏出光的振动周期长，由此引起光谱线向红光波段偏移的现象。移的现象。对太阳光谱中的钠（对太阳光谱中的钠（589.3nm）谱线进行了引力）谱线进行了引力红移测量，其结果与理论值的偏差小于红移测量，其结果与理论值的偏差小于5%。对白矮星（天狼星的一颗伴星）进行测量，其结果对白矮星（天狼星的一颗伴星）进行测量，其结果与理论值偏差小于与理论值偏差小于7%。太阳的红移量：太阳
5、的红移量：210-6 1958年，庞德等人在年，庞德等人在22.6m的哈佛塔内第一次完成的哈佛塔内第一次完成了地面上的引力红移实验。了地面上的引力红移实验。实验测量值：实验测量值：（2.570.26）10-15 理论值：理论值：2.4610-15 黑洞黑洞 世界上第一个提出黑洞设想的是18世纪著名法国数学家拉普拉斯。逃逸速度：逃逸速度：飞船脱离引力飞船脱离引力所需的最小发射速度。所需的最小发射速度。黑洞的半径：黑洞的半径：施瓦氏半径：施瓦氏半径：地球的质量：地球的质量：61024 kg地球成为黑洞的半径：地球成为黑洞的半径：0.89cm 一些不同一些不同质质量天体的黑洞半径和量天体的黑洞半径和
6、“平均密度平均密度”黑洞质量/t施瓦氏半径/cm“平均密度”/(tcm-3)11.4810-227.361064地球610210.892.01021太阳210272.961051.841010球状星团210332.9610111.8410-2银河系310384.4510168.1310-13在一些双星系统中很可能存在黑洞！在一些双星系统中很可能存在黑洞！黑洞？伴星 一般的双星中都一般的双星中都存在一个高密度，大存在一个高密度，大质量的星体，比如说质量的星体，比如说白矮星、中子星或是白矮星、中子星或是黑洞。质量巨大的星黑洞。质量巨大的星体周围激发出强大的体周围激发出强大的引力场，把它的伴星引力场
7、，把它的伴星物质吸引过来，形成物质吸引过来，形成旋转着的吸积盘。旋转着的吸积盘。1616星体怎样成为黑洞?先看宇宙的概貌宇宙中的天体分为不同的层次:恒星(伴随着行星)星系 星系团 超星系团 宇宙 美丽的地球美丽的地球1717银河系全貌1818NGC4565NGC4565星云侧视图星云侧视图河外星系河外星系1919河外星系 仙女座星云2020H聚变成He放能抗恒自引力形成恒星(热),太阳45亿年冷星恒星的归宿恒星的归宿与其原始质量相关与其原始质量相关氢氢热核反应热核反应氦氦继续聚变继续聚变碳碳其它元素其它元素铁（反应到达极限）铁（反应到达极限）引力坍缩引力坍缩T降低，收缩降低，收缩前途如何？21
8、21这是一幅由哈勃太空望远镜观测到的图片：一个性质与太阳等同的恒星在“死亡”时分解出气体和尘埃形成星云的情景。2222 1.4 MM3.2 M 黑洞黑洞的探测和性质 天鹅座x-1(cygx-1),天蝎座V861的x射线伴星,圆规座x-1和GX339-4,发出x射线2525宇宙大尺度结构中的暗物质2626暗物质的性质暗物质不发光，却有引力。暗物质不发光，却有引力。宇宙中暗物质比可见物质多得多。宇宙中暗物质比可见物质多得多。暗物质粒子的主要性质：暗物质粒子的主要性质：1）长寿命；）长寿命；2）主要是冷的（质量大）；）主要是冷的（质量大）；3）作用弱。）作用弱。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。