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1、广义相对论效应第1页，共62页，编辑于2022年，星期日 9岁的爱德华:“爸爸，你为什么这样出名？”爱因斯坦：“你看见没有 ，当瞎眼的甲 虫沿着球面爬 行的时候，它 没发现它爬过 的路径是弯的，而我有幸地发 现了这一点。”第2页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论广义相对论的基本原理的基本原理 所有参考系都是平权的，物所有参考系都是平权的，物理定律必须具有适用于任何参理定律必须具有适用于任何参考系的性质。考系的性质。第3页，共62页，编辑于2022年，星期日强等效原理：在每一事件在每一事件(时空点时空点)及其邻域及其邻域里存在一个局域惯性系里存在一个局域惯性系,即与在引力场即与在引力
2、场中自由降落的质点共动的参考系，在此中自由降落的质点共动的参考系，在此局域惯性系一切物理定律具有狭义相对局域惯性系一切物理定律具有狭义相对论的形式论的形式。第4页，共62页，编辑于2022年，星期日注意到弱等效原理弱等效原理惯性质量=引力质量 局域惯性系的惯性力是引力的一种形式即惯性力等效于引力第5页，共62页，编辑于2022年，星期日爱因斯坦电梯第6页，共62页，编辑于2022年，星期日第7页，共62页，编辑于2022年，星期日“引力场等效加速度引力场等效加速度”？如如果果 说说 “引引力力场场等等效效加加速速度度”，此此结结论论未未免免过过于于粗粗糙糙。事事实实上上，引引力力场场并并非非简
3、简单单地地等等效效加加速速度度，应应该该是是“引引力力场场中中任任一一点点及及其其邻邻域域，等等效效于于同同处处存存在在一一个个局局部部自自由由降降落落的的参参考考系系局局部部惯惯性性系系，在在其其中中狭狭义义相相对对论定律完全适用。论定律完全适用。”第8页，共62页，编辑于2022年，星期日一个定性例子一个定性例子 有有P P、P P两位观测者，两位观测者，P P在远离球对称在远离球对称引力源无穷远的引力源无穷远的K K系处；系处；P P 在爱因斯在爱因斯坦自由降落的坦自由降落的K K系中，即系中，即P P所受的引力所受的引力和惯性力抵消，处于失重状态。和惯性力抵消，处于失重状态。P P所所
4、在的为全局惯性系，在的为全局惯性系，P P所在的即为局部所在的即为局部惯性系。惯性系。第9页，共62页，编辑于2022年，星期日K K系系(局域惯性系局域惯性系):):设有一宇宙飞船在星球引力设有一宇宙飞船在星球引力场中自由降落场中自由降落,它从很远的地方它从很远的地方O O(在那里星球引力几乎不存在在那里星球引力几乎不存在)开始自由降落开始自由降落,经一定时间它到经一定时间它到达距球心为达距球心为 r r 的地方的地方 P P.在此在此局域惯性系一切物理定律具有狭局域惯性系一切物理定律具有狭义相对论的形式。义相对论的形式。第10页，共62页，编辑于2022年，星期日K K系系(非惯性系非惯性
5、系)两种等效的观点：(1)星球参考系是相对惯性系K向上作加速运动的非惯性系K,所谓“引力”不过是其中惯性力的表现。(2)星球参考系是个有引力场的静止参考系,这也是非惯性系。第11页，共62页，编辑于2022年，星期日采用观点(1)当飞船离星体很远时，它当飞船离星体很远时，它对惯性系对惯性系K K静止，其固有静止，其固有时空间隔为时空间隔为d dt t、d dr r.到到达星体附近时已具有速度达星体附近时已具有速度其时空间隔变为其时空间隔变为d dt t、d dr r第12页，共62页，编辑于2022年，星期日第13页，共62页，编辑于2022年，星期日切换到观点(2)即K是个有引力场的静止系。
6、按等效原理,dt、dr应理解为无穷远无引力场处观察者测得引力场中的时空间隔，而dt、dr 是引力场中观察者测得夲处的固有时空间隔。第14页，共62页，编辑于2022年，星期日上式意味着：在引力场中发生的物理过程，在远处在引力场中发生的物理过程，在远处观察，其时间节奏比远处观察者当地的观察，其时间节奏比远处观察者当地的固有时慢，其空间距离比远处观察者当固有时慢，其空间距离比远处观察者当地的固有长度短。这就是引力产生的时地的固有长度短。这就是引力产生的时空效应。空效应。引力的时空效应引力的时空效应第15页，共62页，编辑于2022年，星期日引力场中的能量守恆关系引力场中的能量守恆关系设离引力场无穷
7、远处引力势能为零第16页，共62页，编辑于2022年，星期日引力的时空效应示意图第17页，共62页，编辑于2022年，星期日 星体附近的局域惯性系K相对于惯性系K的速度为第18页，共62页，编辑于2022年，星期日按狭义相对论的洛仑兹变换：第19页，共62页，编辑于2022年，星期日 上式中dt、dr应理解为无穷远无引力场处（惯性系K）观察者测得引力场（局域惯性系K）中的时空间隔。dt、dr是引力场（局域惯性系K）中的固有时空间隔。第20页，共62页，编辑于2022年，星期日引力的时空效应引力的时空效应可以得出以下结论在引力场（局域惯性系K）中发生的物理过程，在远处（惯性系K）观察，其时间节奏
8、比当地固有时慢，其空间距离比当地的固有长度短。第21页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论的时空描述广义相对论的时空描述 广义相对论下的时空描述，对初学者说时空广义相对论下的时空描述，对初学者说时空是弯曲的，不好理解。如果预先建立了是弯曲的，不好理解。如果预先建立了“等效等效局域惯性系局域惯性系”的概念，则对应不同的引力场的概念，则对应不同的引力场点的极小邻域有不同的局域惯性系，不同的点的极小邻域有不同的局域惯性系，不同的局域惯性系中有不同的空间收缩和时间延缓，局域惯性系中有不同的空间收缩和时间延缓，这样对整个的时空不再是平坦的也就比较好这样对整个的时空不再是平坦的也就比较好理解了。
9、理解了。第22页，共62页，编辑于2022年，星期日 星体附近的局域惯性系K相对于惯性系K的速度为第23页，共62页，编辑于2022年，星期日第24页，共62页，编辑于2022年，星期日上式意味着：在引力场中发生的物理过程，在远处观察，其时间节奏比远处观察者当地的固有时慢，其空间距离比远处观察者当地的固有长度短。这就是引力产生的时空效应引力的时空效应引力的时空效应第25页，共62页，编辑于2022年，星期日第26页，共62页，编辑于2022年，星期日总而言之 星体附近r 处的局域惯性系K相对于惯性系K 的速度为第27页，共62页，编辑于2022年，星期日引力场中引力场中粒子速度变慢粒子速度变慢
10、由洛仑兹变换可知，K系中观测到K中的粒子速度为引力场中光速变慢引力场中光速变慢第28页，共62页，编辑于2022年，星期日时空弯曲 由于引力场在不同的时空点（局域惯性系K）其时空间隔的变换有有不同的比值（因为每个不同的比值（因为每个时空点的速度不同），故出现），故出现时空的不均匀。的不均匀。（这是这是时空弯曲的一个定性形象化解释而已，深入的理解需要广义相广义相对论的理论公式和高深的数学。对论的理论公式和高深的数学。）第29页，共62页，编辑于2022年，星期日时空弯曲一例 匀速转盘，K系静止,K系与弧元共动:第30页，共62页，编辑于2022年，星期日第31页，共62页，编辑于2022年，星期
11、日几个可观测的几个可观测的广义相对论广义相对论效应效应第32页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论的验证广义相对论的验证和效应和效应水星近日点进动光线引力偏转光线引力红移雷达回波延迟第33页，共62页，编辑于2022年，星期日GPSGPS要用广义相对论修正要用广义相对论修正 “广义相对论适用于大尺度的时空，其成果主要在宇观世界里才能显示出来”的提法是过时的。现行普遍应用的GPS，安放在卫星上的钟就要不断用相对论（特别是广义相对论）修正。否则，每秒定位误差达十多厘米，一天积累下来，误差达十公里以上。这样的定位，显然是没有用的。第34页，共62页，编辑于2022年，星期日 引力场中引力场
12、中粒子速度变慢粒子速度变慢由洛仑兹变换可知，K系中观测到K中的粒子速度为第35页，共62页，编辑于2022年，星期日 引力场中光速变慢引力场中光速变慢 由此可得到由此可得到几个可观测的几个可观测的广义相对论效应广义相对论效应第36页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之1 1水星近日点进动水星近日点进动第37页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之1 1 按牛顿力学，行星的轨道是以太阳为焦点的椭圆形闭合曲线，实际天文观测到水星在近日点有进动，每世纪5557.62”，比牛顿理论的计算值多了44.11”，成了世纪之谜。直到广义相对论成功预
13、言了水星在近日点的进动，每世纪应有44.11”的附加值。这是时空弯曲对牛顿反平方定律的修正。可以看作是广义相对论早期重大验证之一。第38页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之2 2光线引力红移光线引力红移按广义相对论，在引力场中，光速变慢，光的周期变长，频率变小，颜色变红，称为引力红移现象。第39页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之2 2 引力红移效应是非常小的，直到上世纪六十年代以后才得到比较确定的结果。1961年观测了太阳光谱中的钠谱线的引力红移；1971年观测了太阳光谱中的钾谱线的引力红移；1971年观测了天狼星伴星光谱中
14、的钾谱线的引力红移；1958年庞德等人完成了第一个地面上的引力红移实验第40页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之3 3光线引力偏转光线引力偏转按广义相对论，在引力场中，光速变慢，光的传播方向与光速有关，可以通过理论计算得到，光线通过质量为 M 的星体时产生的偏转角为：第41页，共62页，编辑于2022年，星期日光线引力偏转的示意图光线引力偏转的示意图第42页，共62页，编辑于2022年，星期日 广义相对论验证之广义相对论验证之3 3（a a）按广义相对论光线经太阳附近的引力偏转光线经太阳附近的引力偏转角度角度的理论值为1.751919年巴西日全食时，测量光线经
15、太阳附近的引力偏转角度为1.52.01975年对射电源0116+08观测到射电波的引力偏转角度为1.7610.016理论值和观测值符合得相当好。第43页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之2 2（b b）引力透镜 按广义相对论，光线经星球附近会光线经星球附近会发生引力偏转。发生引力偏转。19361936年，爱因斯坦证年，爱因斯坦证明，明，引力偏转使引力偏转使球对称引力场出现引球对称引力场出现引力透镜效应，一般形成双像，但两像力透镜效应，一般形成双像，但两像十分靠近，不易分辨。十分靠近，不易分辨。第44页，共62页，编辑于2022年，星期日引力透镜示意图 第45页
16、，共62页，编辑于2022年，星期日引力透镜与光学透镜 引力透镜与光学透镜不同，它的会聚作用是散焦的，犹如一个玻璃酒杯底部的会聚作用那样（如右图所示）因此它的成像情况十分复杂。第46页，共62页，编辑于2022年，星期日 1957年，瓦尔什等发现一对孪生星体QSOs0957+561AB，它们之间的角分离只有5.7，发射光谱和吸收光谱几乎完全一致，红移量也都为1.4。后经多方面观测，确认这是引力透镜的第一个事例。以后又陆续发现其他一些甚至是多重成象的事例。第47页，共62页，编辑于2022年，星期日广义相对论验证之广义相对论验证之4 4雷达回波延迟雷达回波延迟 引力场中光速变小的一个可观测效应是
17、雷达回波延迟。广义相对论预言，雷达回波将延迟一段时间，其理论计算值与1971年夏皮罗等对金星的观测值相符。这应是光速减小引起的，而因光线偏转而路程加长的影响要小三至四个数量级。第48页，共62页，编辑于2022年，星期日雷达回波延迟示意图第49页，共62页，编辑于2022年，星期日 对金星的雷达回波延迟时间，按广义相对论的理论计算值为2.0510-4秒，与1971年夏皮罗等人对金星的观测值偏离不到2。此后，利用固定在火星和水手号、海盗号等人造天体上的应答器来代替反射的主动型实验，得到了更好的结果。第50页，共62页，编辑于2022年，星期日引力波的预言和引力波的预言和引力波的探测引力波的探测
18、爱因斯坦从他的引力场方程预言，存在以光速传播 的引力波，引力波具有如 图所示的偏振态。第51页，共62页，编辑于2022年，星期日第52页，共62页，编辑于2022年，星期日可能的引力波源可能的引力波源1.连续引力波源：旋转的、质量分布不对称的天 体。例如蟹状星云中子星 f=60 Hz，相对振幅 h为10-25;其他重要双星 相对振幅 h为10-20-10-22.第53页，共62页，编辑于2022年，星期日2.爆发引力波源：银河系内超新星爆发（平均100多年才一次）,相对振幅 h为10-17；银河系外超新星爆发（平均一年几次）,相对振幅 h为10-21。第54页，共62页，编辑于2022年，星
19、期日探测引力波的方法之一一共振棒天线灵敏度：室温下灵敏度：10-15-10-16低温下灵敏度：10-18-10-20第55页，共62页，编辑于2022年，星期日探测引力波的方法之探测引力波的方法之二二激光天线激光天线灵敏度：灵敏度：小型小型 1010-16-16-10-10-17-17大型大型 1010-19-19-10-10-21-21第56页，共62页，编辑于2022年，星期日探测引力波的激光干涉仪探测引力波的激光干涉仪第57页，共62页，编辑于2022年，星期日大型激光干涉仪的光臂之一第58页，共62页，编辑于2022年，星期日探测引力波原理（探测引力波原理（a）第59页，共62页，编辑于2022年，星期日探测引力波原理（探测引力波原理（b）第60页，共62页，编辑于2022年，星期日探测引力波原理（探测引力波原理（c）第61页，共62页，编辑于2022年，星期日Matter tells spacetime,how to curve；Spacetime tells matter,how to move.物质告诉时空如何弯曲；时空告诉物质如何运动。广义相对论的基本思想广义相对论的基本思想第62页，共62页，编辑于2022年，星期日