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1、上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出狭义相对论认为：在所有惯性坐标系中，物理学定律都具有相同的表达式。在非惯性系中，物理规律又将如何呢？Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出gga=-g(a)静止于引力静止于引力 场中的火箭场中的火箭(b)具有加速度具有加速度a 的孤立火箭的孤立火箭上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返
2、回返回 退出退出 在在(b)中火箭不受引力作用而孤立，质点静止，中火箭不受引力作用而孤立，质点静止，但当火箭突然获得一定的向上的加速度（非惯性系）但当火箭突然获得一定的向上的加速度（非惯性系），观测者将观测到和（，观测者将观测到和（a）中完全相同的自由落体）中完全相同的自由落体运动。运动。如果不知舱外情况，此该观测者无法判断自己如果不知舱外情况，此该观测者无法判断自己究竟是在自由空间相对于恒星做加速运动，还是静究竟是在自由空间相对于恒星做加速运动，还是静止在引力场中！因为惯性质量相等止在引力场中！因为惯性质量相等。等效原理：等效原理：在处于均匀的恒定引力场影响下的在处于均匀的恒定引力场影响下的
3、惯性系中，所发生的一切物理现象，可以和一个不惯性系中，所发生的一切物理现象，可以和一个不受引力影响，但以恒定加速度运动的非惯性系内的受引力影响，但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同。物理现象完全相同。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出广义相对论的等效原理广义相对论的等效原理 爱因斯坦据此把相对性原理推广到非惯性系。爱因斯坦据此把相对性原理推广到非惯性系。得得到到广义相对论相对性原理：广义相对论相对性原理：物理定律在非惯性系中，可以和局部惯性系中完物理定律在非惯性系中，可以和局部惯性系中完全相同，但在局部惯性系中要有引力存在，或者说，全相同，
4、但在局部惯性系中要有引力存在，或者说，所有非惯性系和所有引力场存在的惯性系对于描述物所有非惯性系和所有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的。理现象都是等价的。在非均匀引力场中，其中一点所在的局部可看作在非均匀引力场中，其中一点所在的局部可看作惯性系，叫惯性系，叫局部惯性系。局部惯性系。许多局部惯性系间有相对速许多局部惯性系间有相对速度，可应用狭义相对论结果。度，可应用狭义相对论结果。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 广广义义相相对对论论考考虑虑了了引引力力场场的的作作用用，因因而而认认识识物物质质、时时间间、空空间间的的关关系系比比经经典典物
5、物理理更更为为复复杂杂。广广义义相相对对论论证证明明：引引力力场场越越强强的的地地方方，时时钟钟走走的的越越慢慢。从此预测了光谱线的红移；从此预测了光谱线的红移；光光线线经经过过质质量量较较大大的的物物体体，受受其其引引力力场场影影响响，应向该物体方向偏转。应向该物体方向偏转。光线经过太阳附近，偏转光线经过太阳附近，偏转1.75太阳地球地球1.75上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出水星在近日点的进动水星在近日点的进动 水星的轨道不是严格闭合的。水星的轨道不是严格闭合的。从从牛牛顿顿力力学学可可得得到到解解释释但但计计算算值值比比观观测测值值每每世纪世纪
6、 5600.73 的进动少的进动少43.11 。从从广广义义相相对对论论出出发发，考考虑虑时时空空弯弯曲曲，就就能能得得到到43.03 的附加值的附加值。相相对对论论是是关关于于时时间间、空空间间和和引引力力的的现现代代物物理理理论，在整个物理学史上具有深远意义。理论，在整个物理学史上具有深远意义。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例题例题4-7 有一对孪生兄弟，在有一对孪生兄弟，在2020岁时，哥哥从地岁时，哥哥从地球出发乘飞船运行球出发乘飞船运行1010年年后后，哥俩的年龄各是多少？哥俩的年龄各是多少？（已知（已知飞船速度飞船速度 ）afe0.弟弟
7、 弟弟.哥哥哥哥哥哥测的是原时哥哥测的是原时弟弟测的是两地时弟弟测的是两地时解：解：以地面为以地面为K系，飞船为系，飞船为 系。系。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出孪生子佯谬孪生子佯谬twin paradoxa.慢慢慢慢.哥哥哥哥20.520.5岁和弟弟岁和弟弟3030岁。岁。到底那只到底那只钟变慢？钟变慢？根根据据狭狭义义相相对对论论时时间间延延缓缓可可知知上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 由动钟变慢产生了由动钟变慢产生了“孪生子佯谬孪生子佯谬”。这个问题。这个问题的关键是周游天外的哥要回到出发点。倘若哥
8、的飞的关键是周游天外的哥要回到出发点。倘若哥的飞船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的。哥的船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的。哥的飞行路线必然是有来有去，或是转一个圈子；在弟飞行路线必然是有来有去，或是转一个圈子；在弟看来，哥是在作有速度变化的运动，当然，在哥看看来，哥是在作有速度变化的运动，当然，在哥看来，弟相对于他也在作变速运动。按照动钟变慢的来，弟相对于他也在作变速运动。按照动钟变慢的理论，弟看飞船钟变慢，哥看地球钟变慢这种对称理论，弟看飞船钟变慢，哥看地球钟变慢这种对称性，只有当弟和哥之间的相对运动是匀速直线运动性，只有当弟和哥之间的相对运动是匀速直线运动时才能保持。一旦出现了变
9、速的相对运动，就不能时才能保持。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这个对称性了。即这种情况超出狭义相对论的使用这个对称性了。即这种情况超出狭义相对论的理论范围理论范围,按照广义相对论来讨论按照广义相对论来讨论,这种现象是能够这种现象是能够发生的。发生的。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 1971年美国科学家将精确度极高的铯原子钟放在飞年美国科学家将精确度极高的铯原子钟放在飞机上机上,沿赤道向东和向西绕地球一周沿赤道向东和向西绕地球一周,回到原处后回到原处后,分别比分别比静止在地面上的钟慢静止在地面上的钟慢59ns和快和快273ns(1ns等等 于于
10、10-9s)。因。因为地球以一定的角速度从西往东转为地球以一定的角速度从西往东转,地面不是惯性系地面不是惯性系,而而从地心指向太阳的参考系是惯性系。飞机的速度总是小从地心指向太阳的参考系是惯性系。飞机的速度总是小于太阳的速度于太阳的速度,无论向东还是向西无论向东还是向西,它相对于惯性系都是它相对于惯性系都是向东转的向东转的,只是前者转速大只是前者转速大,后者转速小后者转速小,而地面上的钟转而地面上的钟转速介于二者之间。上述实验表明速介于二者之间。上述实验表明,相对于惯性系转速愈大相对于惯性系转速愈大的钟走得愈慢的钟走得愈慢,这和孪生子问题所预期的效应是一致的。这和孪生子问题所预期的效应是一致的
11、。上述实验结果与广义相对论的理论计算比较上述实验结果与广义相对论的理论计算比较,在实验误差在实验误差范围内相符。因而范围内相符。因而,我们今天不应再说我们今天不应再说“孪生子佯谬孪生子佯谬”，而应改称孪生子效应了。，而应改称孪生子效应了。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 选择进入下一节选择进入下一节 4-0 教学基本要求教学基本要求 4-1 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换 4-2 相对论速度变换相对论速度变换 4-3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 4-4 狭义相对论动力学基础狭义相对论动力学基础*4-5 广义相对论简介广义相对论简介