廣義相對論課件
廣義相對論（General Relativity） 描寫(xiě)物質(zhì)間 引力相互作用的理論。其基礎有A. 愛(ài)因斯坦于1915年完成，1916年正式發(fā)表。這一理論首次把引力場(chǎng) 解釋成時(shí)空的 彎曲。下面是小編為你帶來(lái)的廣義相對論課件 ，歡迎閱讀。
概念介紹
黑洞
愛(ài)因斯坦的廣義相對論理論在 天體物理學(xué)中有著(zhù)非常重要的應用：它直接推導出某些大質(zhì)量恒星會(huì )終結為一個(gè) 黑洞——時(shí)空中的某些區域發(fā)生極度的扭曲以至于連光都無(wú)法逸出；而多大質(zhì)量的恒星會(huì )塌陷為黑洞則是印裔物理學(xué)家 錢(qián)德拉塞卡的功勞—— 錢(qián)德拉塞卡極限（ 白矮星的質(zhì)量上限）。
引力透像
有證據表明 恒星質(zhì)量黑洞以及 超大質(zhì)量黑洞是某些天體例如 活動(dòng)星系核和 微類(lèi)星體發(fā)射高強度輻射的直接成因。光線(xiàn)在引力場(chǎng)中的偏折會(huì )形成 引力透鏡現象，這使得人們能夠觀(guān)察到處于遙遠位置的同一個(gè)天體的多個(gè)成像。
引力波
廣義相對論還預言了 引力波的存在（愛(ài)因斯坦于1918年寫(xiě)的論文《論引力波》），現已被直接觀(guān)測所 證實(shí)。此外,廣義相對論還是現代 宇宙學(xué)的 膨脹宇宙模型的理論基礎。 [2]
時(shí)空關(guān)系
19世紀末由于牛頓力學(xué)和（蘇格蘭數學(xué)家） 麥克斯韋（1831~1879年） 電磁理論趨于完善，一些物理學(xué)家認為“物理學(xué)的發(fā)展實(shí)際上已經(jīng)結束”，但當人們運用 伽利略變換解釋光的傳播等問(wèn)題時(shí)，發(fā)現一系列尖銳矛盾，對經(jīng)典時(shí)空觀(guān)產(chǎn)生疑問(wèn)。愛(ài)因斯坦對這些問(wèn)題，提出物理學(xué)中新的 時(shí)空觀(guān)，建立了可與光速相比擬的高速運動(dòng)物體的規律，創(chuàng )立相對論。 狹義相對論提出兩條基本原理。（1） 光速不變原理：即在任何 慣性系中， 真空中 光速c都相同，為299,792,458m/s，與光源及觀(guān)察者的運動(dòng)狀況無(wú)關(guān)。（2） 狹義相對性原理：是指物理學(xué)的基本定律乃至自然規律，對所有慣性參考系來(lái)說(shuō)都相同。
愛(ài)因斯坦的第二種相對性理論（1916年）。該理論認為引力是由空間——時(shí)間彎曲的幾何效應（也就是，不僅考慮空間中的點(diǎn)之間，而是考慮在空間和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的幾何）的畸變引起的，因而引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離的測量。 [3]
萬(wàn)有引力
廣義相對論：是一種關(guān)于萬(wàn)有引力本質(zhì)的理論。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)一度試圖把萬(wàn)有引力定律納入相對論的框架，幾經(jīng)失敗后，他終于認識到，狹義相對論容納不了萬(wàn)有引力定律。于是，他將狹義相對性原理推廣到廣義相對性，又利用在局部 慣性系中萬(wàn)有引力與 慣性力等效的原理，建立了用彎曲時(shí)空的 黎曼幾何描述引力的廣義相對論理論。
狹義相對論
狹義相對論與廣義相對論：狹義相對論只適用于慣性系，它的時(shí)空背景是平直的四維時(shí)空，而廣義相對論則適用于包括非慣性系在內的一切參考系，它的時(shí)空背景是彎曲的黎曼時(shí)空。
物理應用
引力透鏡
愛(ài)因斯坦十字：同一個(gè)天體在引力透鏡效應下的四個(gè)成像
引力場(chǎng)中光線(xiàn)的偏折效應是一類(lèi)新的天文現象的原因。當觀(guān)測者與遙遠的觀(guān)測天體之間
還存在有一個(gè)大質(zhì)量天體，當觀(guān)測天體的質(zhì)量和相對距離合適時(shí)觀(guān)測者會(huì )看到多個(gè)扭曲的天體成像，這種效應被稱(chēng)作引力透鏡。受系統結構、尺寸和質(zhì)量分布的影響，成像可以是多個(gè)，甚至可以形成被稱(chēng)作*因斯坦環(huán)的圓環(huán)，或者圓環(huán)的一部分弧。最早的引力透鏡效應是在1979年發(fā)現的，至今已經(jīng)發(fā)現了超過(guò)一百個(gè)引力透鏡。即使這些成像彼此非常接近以至于無(wú)法分辨——這種情形被稱(chēng)作微引力透鏡——這種效應仍然可通過(guò)觀(guān)測總光強變化測量到，很多微引力透鏡也已經(jīng)被發(fā)現。
引力波
藝術(shù)家的構想圖：激光空間干涉引力波探測器LISA對脈沖雙星的觀(guān)測是間接證實(shí)引力波存在的有力證據（參見(jiàn)上文軌道衰減一節）。已經(jīng)有相當數量的地面引力波探測器投入運行，最著(zhù)名的是GEO600、 LIGO（包括三架激光干涉引力波探測器）、TAMA300和VIRGO；而美國和歐洲合作的空間激光干涉探測器LISA正處于開(kāi)發(fā)階段，其先行測試計劃LISA探路者（LISAPathfinder）于2009年底之前正式發(fā)射升空。
美國科研人員2016年2月11日宣布，他們利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)于去年9月首次探測到引力波。 研究人員宣布，當兩個(gè)黑洞于約13億年前碰撞，兩個(gè)巨大質(zhì)量結合所傳送出的擾動(dòng)，于2015年9月14日抵達地球，被地球上的精密儀器偵測到。證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預測。
對引力波的探測將在很大程度上擴展基于電磁波觀(guān)測的傳統觀(guān)測天文學(xué)的視野，人們能夠通過(guò)探測到的引力波信號了解到其波源的信息。這些從未被真正了解過(guò)的信息可能來(lái)自于 黑洞、 中子星或 白矮星等致密星體，可能來(lái)自于某些 超新星爆發(fā)，甚至可能來(lái)自宇宙誕生極早期的暴漲時(shí)代的某些烙印，例如假想的 宇宙弦。
黑洞和其它
基于廣義相對論理論的計算機模擬一顆恒星坍縮為黑洞并釋放出引力波的過(guò)程廣義相對論預言了黑洞的存在，即當一個(gè)星體足夠致密時(shí)，其引力使得時(shí)空中的一塊區域極端扭曲以至于光都無(wú)法逸出。在當前被廣為接受的恒星演化模型中，一般認為大質(zhì)量恒星演化的最終階段的情形包括1.4倍左右太陽(yáng)質(zhì)量的恒星演化為中子星，而數倍至幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星演化為恒星質(zhì)量黑洞。具有幾百萬(wàn)倍至幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞被認為定律性地存在于每個(gè)星系的中心，一般認為它們的存在對于星系及更大的宇宙尺度結構的形成具有重要作用。
在天文學(xué)上 致密星體的最重要屬性之一是它們能夠極有效率地將引力能量轉換為電磁輻射。恒星質(zhì)量黑洞或超大質(zhì)量黑洞對 星際氣體和塵埃的吸積過(guò)程被認為是某些非常明亮的天體的形成機制，著(zhù)名且多樣的例子包括星系尺度的 活動(dòng)星系核以及恒星尺度的 微類(lèi)星體。在某些特定場(chǎng)合下吸積過(guò)程會(huì )在這些天體中激發(fā)強度極強的相對論性 噴流，這是一種噴射速度可接近光速的且方向性極強的高能等離子束。在對這些現象進(jìn)行建立模型的過(guò)程中廣義相對論都起到了關(guān)鍵作用，而實(shí)驗觀(guān)測也為支持黑洞的存在以及廣義相對論做出的種種預言提供了有力證據。
黑洞也是引力波探測的重要目標之一：黑洞雙星的合并過(guò)程可能會(huì )輻射出能夠被地球上的探測器接收到的某些最強的引力波信號，并且在雙星合并前的啁啾信號可以被當作一種“標準燭光”從而來(lái)推測合并時(shí)的距離，并進(jìn)一步成為在大尺度上探測宇宙膨脹的一種手段。而恒星質(zhì)量黑洞等小質(zhì)量致密星體落入超大質(zhì)量黑洞的這一過(guò)程所輻射的引力波能夠直接并完整地還原超大質(zhì)量黑洞周?chē)臅r(shí)空幾何信息。
宇宙學(xué)
威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）拍攝的全天微波背景輻射的溫度漲落現代的宇宙模型是基于帶有宇宙常數的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程建立的，宇宙常數的值對大尺度的宇宙動(dòng)力學(xué)有著(zhù)重要影響。
這個(gè)經(jīng)修改的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程具有一個(gè)各向同性并均勻的解：弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規，在這個(gè)解的基礎上物理學(xué)家建立了從一百四十億年前熾熱的 大爆炸中演化而來(lái)的 宇宙模型。只要能夠將這個(gè)模型中為數不多的幾個(gè)參數（例如宇宙的物質(zhì)平均密度）通過(guò)天文觀(guān)測加以確定，人們就能從進(jìn)一步得到的實(shí)驗數據檢驗這個(gè)模型的正確性。這個(gè)模型的很多預言都是成功的，這包括太初核合成時(shí)期形成的化學(xué)元素初始豐度、宇宙的大尺度結構以及早期的宇宙溫度在今天留下的“回音”：宇宙微波背景輻射。
從天文學(xué)觀(guān)測得到的宇宙膨脹速率可以進(jìn)一步估算出宇宙中存在的物質(zhì)總量，不過(guò)有關(guān)宇宙中物質(zhì)的本性還是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。估計宇宙中大約有90%以上的物質(zhì)都屬于暗物質(zhì)，它們具有質(zhì)量（即參與引力相互作用），但不參與電磁相互作用，即它們無(wú)法（通過(guò)電磁波）直接觀(guān)測到。在已知的粒子物理或其他什么理論的框架中還沒(méi)有辦法對這種物質(zhì)做出令人滿(mǎn)意的
描述。另外，對遙遠的超新星紅移的觀(guān)測以及對宇宙微波背景輻射的測量顯示，我們的宇宙的演化過(guò)程在很大程度上受宇宙常數值的影響，而正是宇宙常數的值決定了宇宙的加速膨脹。換句話(huà)說(shuō)，宇宙的加速膨脹是由具有非通常意義下的狀態(tài)方程的某種能量形式?jīng)Q定的，這種能量被稱(chēng)作 暗能量，其本性也仍然不為所知。
在所謂暴漲模型中，宇宙曾在誕生的極早期（～10-33秒）經(jīng)歷了劇烈的加速膨脹過(guò)程。這個(gè)在于二十世紀八十年代提出的假說(shuō)是由于某些令人困惑并且用經(jīng)典宇宙學(xué)無(wú)法解釋的觀(guān)測結果而提出的，例如宇宙微波背景輻射的高度各向同性，而對微波背景輻射各向異性的觀(guān)測結果是支持暴漲模型的證據之一。然而，暴漲的可能的方式也是多樣的，現今的觀(guān)測還無(wú)法對此作出約束。一個(gè)更大的課題是關(guān)于極早期宇宙的物理學(xué)的.，這涉及到發(fā)生在暴漲之前的、由經(jīng)典宇宙學(xué)模型預言的大爆炸奇點(diǎn)。對此比較有權威性的意見(jiàn)是這個(gè)問(wèn)題需要由一個(gè)完備的 量子引力理論來(lái)解答，而這個(gè)理論至今還沒(méi)有建立（參加下文量子引力）。
量子理論
如果說(shuō)廣義相對論是現代物理學(xué)的兩大支柱之一，那么量子理論作為我們借此了解基本粒子以及凝聚態(tài)物理的基礎理論就是現代物理的另一支柱。然而，如何將量子理論中的概念應用到廣義相對論的框架中仍然是一個(gè)未能解決的問(wèn)題。 [11]
量子場(chǎng)論
作為現代物理中 粒子物理學(xué)的基礎，通常意義上的 量子場(chǎng)論是建立在平直的閔可夫斯基時(shí)空中的，這對于處在像地球這樣的弱引力場(chǎng)中的微觀(guān)粒子的描述而言是一個(gè)非常好的近似。而在某些情形中，引力場(chǎng)的強度足以影響到其中的量子化的物質(zhì)但不足以要求引力場(chǎng)本身也被 量子化，為此物理學(xué)家發(fā)展了彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)論。這些理論借助于經(jīng)典的廣義相對論來(lái)描述彎曲的背景時(shí)空，并定義了廣義化的彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)理論。通過(guò)這種理論，可以證明黑洞也在通過(guò)黑體輻射釋放出粒子，這即是霍金輻射，并有可能通過(guò)這種機制導致黑洞最終蒸發(fā)。如前文所述， 霍金輻射在 黑洞熱力學(xué)的研究中起到了關(guān)鍵作用。 [12]
量子引力
物質(zhì)的量子化描述和時(shí)空的幾何化描述之間彼此不具有相容性，以及廣義相對論中時(shí)空曲率無(wú)限大（意味著(zhù)其結構成為微觀(guān)尺度）的奇點(diǎn)的出現，這些都要求著(zhù)一個(gè)完整的量子引力理論的建立。這個(gè)理論需要能夠對黑洞內部以及極早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相關(guān)的時(shí)空幾何需要用量子化的語(yǔ)言來(lái)敘述。盡管物理學(xué)家為此做出了很多努力，并有多個(gè)有潛質(zhì)的候選理論已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，至今人類(lèi)還沒(méi)能得到一個(gè)稱(chēng)得上完整并自洽的量子引力理論。
一個(gè) 卡拉比-丘流形的投影，由 弦理論所提出的緊化額外維度的一種方法量子場(chǎng)論作為粒子物理的基礎已經(jīng)能夠描述除引力外的其余三種基本相互作用，但試圖將引力概括到量子場(chǎng)論的框架中的嘗試卻遇到了嚴重的問(wèn)題。在低能區域這種嘗試取得了成功，其結果是一個(gè)可被接受的引力的有效（量子）場(chǎng)理論，但在高能區域得到的模型是發(fā)散的（不可 重整化）。
圈量子引力中的一個(gè)簡(jiǎn)單自旋網(wǎng)絡(luò )
試圖克服這些限制的嘗試性理論之一是 弦論，在這種量子理論中研究的最基本單位不再是點(diǎn)狀粒子，而是一維的弦。弦論有可能成為能夠描述所有粒子和包括引力在內的基本相互作用的 大統一理論，其代價(jià)是導致了在三維空間的基礎上生成六維的額外維度等反常特性。在所謂第二次超弦理論革新中，人們猜測 超弦理論，以及廣義相對論與 超對稱(chēng)的統一即所謂 超引力，能夠構成一個(gè)猜想的十一維模型的一部分，這種模型叫做M理論，它被認為能夠建立一個(gè)具有唯一性定義且自洽的量子引力理論。
另外一種嘗試來(lái)自于量子理論中的 正則量子化方法。應用廣義相對論的初值形式（參見(jiàn)上文演化方程一節），其結果是惠勒-得衛特方程（其作用類(lèi)似于 薛定諤方程）。雖然這個(gè)方程在一般情形下定義并不完備，但在所謂阿西特卡變量的引入下，從這個(gè)方程能夠得到一個(gè)很有前途的模型：圈量子引力。在這個(gè)理論中空間是一種被稱(chēng)作自旋網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)狀結構，并在離散的時(shí)間中演化。
【廣義相對論課件】相關(guān)文章：
易經(jīng)：錯誤的相對論10-04
《將心比心》課件05-14
春曉課件05-03
《詠柳》課件05-02
荷花課件10-26
鄉愁課件11-26
師說(shuō)課件下載11-29
《乞巧》教學(xué)課件06-25
《絕招》課件教學(xué)02-20