广义相对论效应

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1、3强等效原理与时空弯曲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。”广义相对论的基本原理所有参考系都是平权的，物理定律必须具有适用于任何参考系的性质。强等效原理：在每一事件(时空点)及其邻域里存在一个局域惯性系,即与在引力场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论的形式。注意到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爱因斯坦电梯“引力场等效加速

2、度”？如果说“引力场等效加速度”，此结论未免过于粗糙。事实上，引力场并非简单地等效加速度，应该是“引力场中任一点及其邻域，等效于同处存在一个局部自由降落的参考系—局部惯性系，在其中狭义相对论定律完全适用。”一个定性例子有P、P’两位观测者，P在远离球对称引力源无穷远的K系处；P’在爱因斯坦自由降落的K’系中，即P’所受的引力和惯性力抵消，处于失重状态。P所在的为全局惯性系，P’所在的即为局部惯性系。K系(局域惯性系):设有一宇宙飞船在星球引力场中自由降落,它从很远的地方O’(在那里星球引力几乎不存在)开始自由降落,经一

3、定时间它到达距球心为r的地方P’.在此局域惯性系一切物理定律具有狭义相对论的形式。K’系(非惯性系)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。采用观点(1)当飞船离星体很远时，它对惯性系K静止，其固有时空间隔为dt’、dr’.到达星体附近时已具有速度其时空间隔变为dt、dr切换到观点(2)即K’是个有引力场的静止系。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

4、dt’、dr’是引力场中观察者测得夲处的固有时空间隔。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场中的能量守恆关系设离引力场无穷远处引力势能为零引力的时空效应示意图星体附近的局域惯性系K’相对于惯性系K的速度为按狭义相对论的洛仑兹变换：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。

5、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，其时间节奏比当地固有时慢，其空间距离比当地的固有长度短。广义相对论的时空描述广义相对论下的时空描述，对初学者说时空是弯曲的，不好理解。如果预先建立了“等效局域惯性系”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理解了。星体附近的局域惯性系K’相对于惯性系K的速度为上式意味着：在引力场中发生的物理过程，在远处观察，其时间节奏比远

6、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的速度为引力场中粒子速度变慢由洛仑兹变换可知，K系中观测到K’中的粒子速度为引力场中光速变慢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不同的比值（因为每个时空点的速度不同），故出现时空的不均匀。（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对论的理论公式和高深的数学。）时空弯曲一例匀速转盘，K系静止,K’系与弧元共动:几个可观测的

7、广义相对论效应广义相对论的验证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GPS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。引力场中粒子速度变慢由洛仑兹变换可知，K系中观测到K’中的粒子速度为引力场中光速变慢由此可得到几个可观测的广义相对论效应广义相对论验证之1水星近日点进动广义

8、相对论验证之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。广义相