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1、12014-10-27REN R西安交通大学西安交通大学第十四章第十四章人类对宇宙结构及起源人类对宇宙结构及起源 的探索的探索14.1 古代关于宇宙结构的见解古代关于宇宙结构的见解14.2 哥白尼的太阳中心说哥白尼的太阳中心说14.3 开普勒行星运动三定律开普勒行星运动三定律14.4 康德的星云假说康德的星云假说14.5 天王星和冥王星的发现天王星和冥王星的发现14.6 大爆炸理论与宇宙膨胀大爆炸理论与宇宙膨胀宇宙的起源宇宙的起源1414章章章章 人类对宇宙结构及起源的探索人类对宇宙结构及起源的探索人类对宇宙结构及起源的探索人类对宇宙结构及起源的探索14.1.114.1.1古代关于古代关于宇宙
2、宇宙结构的见解结构的见解-哥白尼哥白尼哥白尼哥白尼“ “太阳中心说太阳中心说太阳中心说太阳中心说” ”的建立的建立的建立的建立 方上下曰宇，往古来今日宙。方上下曰宇，往古来今日宙。”在这个定义中，宇是指空间，宙是指时间。唐到在这个定义中，宇是指空间，宙是指时间。唐到公元公元公元公元140140年左右年左右年左右年左右，亚历山大城的天文学家，亚历山大城的天文学家托勒密托勒密托勒密托勒密在他 的巨著在他的巨著天文学大成天文学大成天文学大成天文学大成中，提出较完整的宇宙地心说。到中世纪，托勒密的地心说被欧洲教会利用来作为上帝创造世界的理论支柱，由此取得了学术界中，提出较完整的宇宙地心说。到中世纪，托
3、勒密的地心说被欧洲教会利用来作为上帝创造世界的理论支柱，由此取得了学术界一千四百多年一千四百多年一千四百多年一千四百多年的统治地 位。的统治地 位。Jiao Tong UniversityREN Ren10272014 2014-10-27REN R西安交通大学西安交通大学19.19.大爆炸与宇宙起源大爆炸与宇宙起源亘古不衰的问题亘古不衰的问题 蓝天白云，碧空广袤浩瀚； 群星璀璨，河汉深不可测； 宇宙为何是这个样子？它从何处而来？又向 何处而去？宇宙会有开端吗？时间会有终结 吗？一个著名的传说一个著名的传说相传罗素在作过一次关于宇宙的演讲后，听众中 的一位老年妇女站起来， 老夫人说：“你说的这
4、些全是废话，这个世界 是驮在乌龟背上的一块平板！” 罗素问道：“那么这只乌龟站在什么地方呢？” 老夫人说：“年轻人，你很聪明！不过，这是 一只驮着一只一直驮下去的乌龟塔啊！”1.1.简短的历史回顾简短的历史回顾 中国：盘古开天辟地 印度：“象-龟”模型 希腊：地球在水上浮动 基督教：上帝的创生2上帝在创造宇宙之前做什么？上帝在创造宇宙之前做什么？ 有人问奥古斯丁：上帝在创造宇宙之 前做什么？ 奥古斯丁的回答： “他正在为问这个问题的人准备地 狱！”笛卡尔的笛卡尔的“ “漩涡学说漩涡学说” ” 宇宙空间充满了物质 微粒“以太”，以太 的漩涡运动促使物质 向中心聚集，从而形 成太阳，其余物质慢 慢
5、形成了地球和其他 行星，残余的物质则 形成了透明的天空。广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论爱因斯爱因斯爱因斯爱因斯 坦的引力理论坦的引力理论坦的引力理论坦的引力理论1 广义相对论的两条基本原理广义相对论的两条基本原理1.1 狭义相对论的局限性狭义相对论的局限性狭义相对论狭义相对论牛顿力学牛顿力学进一步的思考进一步的思考一切惯性系对 力学规律平权一切惯性系对 力学规律平权一切惯性系对所有物理规律平权一切惯性系对所有物理规律平权时空与运动 速度无关时空与运动 速度无关时空与运动速度有关时空与运动速度有关非惯性系与惯性系 会平权吗？惯性系 更优越吗？非惯性系与惯性系 会平权吗？惯性系 更优越吗
6、？时空与物质有 什么关系？时空与物质有 什么关系？关于惯性和引力的思考，是开启这一迷宫大门的钥匙，最 终导致广义相对论的建立。关于惯性和引力的思考，是开启这一迷宫大门的钥匙，最 终导致广义相对论的建立。无法在引力场中写出满足相对论假设的运动方程无法在引力场中写出满足相对论假设的运动方程1.2 等效原理等效原理 1 1. 惯性质量与引力质量 依据牛顿第二定律定义的质量叫惯性质量与引力质量 依据牛顿第二定律定义的质量叫惯性质量惯性质量gggmmrMGF2依据万有引力定律定义的质量叫依据万有引力定律定义的质量叫引力质量引力质量amFiimgm比萨斜塔实验揭示出重力场中同一地点，任何自由下落的物 体都
7、有相同的加速度。当物体在地球附近作自由落体时：比萨斜塔实验揭示出重力场中同一地点，任何自由下落的物 体都有相同的加速度。当物体在地球附近作自由落体时：ammrMGFig2 ig mmrGMa2igmm 称为惯性质量与引力质量相等定律称为惯性质量与引力质量相等定律普适常量惯性大小的量度产生和接受引力的能力爱因斯坦把两种质量等效提高到基本原理的高度普适常量惯性大小的量度产生和接受引力的能力爱因斯坦把两种质量等效提高到基本原理的高度惯性质量与引力质量相等，在引力场中自由飞行的物体，其加速度必等于当地的引力强度。惯性质量与引力质量相等，在引力场中自由飞行的物体，其加速度必等于当地的引力强度。ag结论结
8、论2. 惯性力与引力惯性力与引力 问题问题问题万有引力普遍存在物质参考系总有加速度真正的惯性参考系不存在问题万有引力普遍存在物质参考系总有加速度真正的惯性参考系不存在大量物理定律 包括狭义相对论 都只适用于惯性参考系惯性系在自然界却不存在！能否找到一个消除引力的真正的惯性参考系？大量物理定律 包括狭义相对论 都只适用于惯性参考系惯性系在自然界却不存在！能否找到一个消除引力的真正的惯性参考系？0F甲ga地面参考系地面参考系 惯性力惯性力乙m非惯性系非惯性系观察者观察者甲甲：牛顿定律适用有重力牛顿定律适用有重力gmGGg和加速度即观察者和加速度即观察者乙乙：有重力：有重力gmGG无加速度即无加速度
9、即g牛顿定律不适用引入牛顿定律不适用引入虚拟力虚拟力或或惯性力惯性力amF000 FG牛顿第二定律形式上成立则牛顿第二定律形式上成立则说明说明在非惯性系中引入惯性力后，可应用力学规律。在非惯性系中引入惯性力后，可应用力学规律。 爱因斯坦两个假想实验（爱因斯坦电梯爱因斯坦两个假想实验（爱因斯坦电梯局部惯性系）局部惯性系）实验一实验一自由空间加速电梯引力场中静止的电梯比较 自由空间加速电梯引力场中静止的电梯比较gagmi惯性力惯性力封闭在电梯中的观察者观察小球的运动规律相同：封闭在电梯中的观察者观察小球的运动规律相同：的加速度竖直下落的加速度竖直下落惯性力与引力的效应相同，惯性力与引力的效应相同，
10、无法判断小球加速下落的原因？无法判断小球加速下落的原因？惯性力等效于引力。惯性力等效于引力。结论结论gmg引力引力物体均以物体均以g实验二实验二引力场中某一时空 点自由下降的电梯 （加速参考系）远离引力场的自由空间中 相对某一恒星静止的电梯 （惯性系）引力场中某一时空 点自由下降的电梯 （加速参考系）远离引力场的自由空间中 相对某一恒星静止的电梯 （惯性系）)(rg两个参考系中 观察得到的物体运动状态相同静止或匀速运动两个参考系中 观察得到的物体运动状态相同静止或匀速运动gmigmg结论结论 (1) 自由下落自由下落的参考系与的参考系与惯性系惯性系等效。等效。(2) 可以在引力场中的任何一个时
11、空点（局部区域）找到一 个在该引力场中自由下落的惯性系可以在引力场中的任何一个时空点（局部区域）找到一 个在该引力场中自由下落的惯性系局部惯性系局部惯性系。33. 广义相对论的等效原理广义相对论的等效原理局域内加速参照系形成的物理效应与引力场的一切物理 效应等效。即一个均匀的引力场与一个匀加速参照系完全等 价。在局部惯性系内可以将引力消除，但其它力没有这样 的性质！例如：不能依靠选择参照系来消除电磁力，局域内加速参照系形成的物理效应与引力场的一切物理 效应等效。即一个均匀的引力场与一个匀加速参照系完全等 价。在局部惯性系内可以将引力消除，但其它力没有这样 的性质！例如：不能依靠选择参照系来消除
12、电磁力，“引力 的本性就是没有引力引力 的本性就是没有引力”。说明说明5.1.3广义相对性原理广义相对性原理物理规律是否会受到加速参考系的影响？即非惯性系和惯性系是否平权？物理规律是否会受到加速参考系的影响？即非惯性系和惯性系是否平权？1. 问题问题2. 思想实验思想实验ga在加速上升的电梯参考系中看到的物理规律与在地面上看到的相同：小球运动轨迹为一抛物线。实验结论无法告诉你是否处在以加速度竖直上升的电梯中 还是静止地站在地面上。或者说实验无法告诉你是处在一个没有引力加速上升的密闭电梯中，还是静止地处在一个引力场中。在加速上升的电梯参考系中看到的物理规律与在地面上看到的相同：小球运动轨迹为一抛
13、物线。实验结论无法告诉你是否处在以加速度竖直上升的电梯中 还是静止地站在地面上。或者说实验无法告诉你是处在一个没有引力加速上升的密闭电梯中，还是静止地处在一个引力场中。ga3. 广义相对性原理广义相对性原理一切参考系都是平权的，物理规律具有适合于任何参考系的 性质，即物理规律在一切参考系中可以表达为相同的形式。一切参考系都是平权的，物理规律具有适合于任何参考系的 性质，即物理规律在一切参考系中可以表达为相同的形式。ga5.2 引力场的时空弯曲引力场的时空弯曲 5.2.1 引力场中光线的弯曲引力场中光线的弯曲在外部空间加速上升的电梯中看到的光线弯曲在外部空间加速上升的电梯中看到的光线弯曲在加速参
14、照系中看到 的光线是弯曲的！在加速参照系中看到 的光线是弯曲的！匀加速参照系等效 于均匀引力场匀加速参照系等效 于均匀引力场引力使光线弯曲引力使光线弯曲gaga通常我们并没有感觉到光线有弯曲通常我们并没有感觉到光线有弯曲 晚上：星光灿烂，没 有经过太阳的引力场晚上：星光灿烂，没 有经过太阳的引力场 地球引力太小地球引力太小 光速太快太阳的引力应该使恒 星发出的光弯曲。光速太快太阳的引力应该使恒 星发出的光弯曲。 白天：看不到星光白天：看不到星光日全食日全食 ( 有太阳引力，有星光有太阳引力，有星光 )1919年年5月月29日日日全食 引力场使光线弯曲 得到 证实日全食 引力场使光线弯曲 得到
15、证实,举世轰动。举世轰动。太阳太阳太阳太阳视位置真位置视位置真位置 76. 1日全食照片日全食照片平面平面由测量判定空间是否弯曲。由测量判定空间是否弯曲。测地线是直线即两点间距离的极值线测地线是直线即两点间距离的极值线测地线测地线三角形内角和三角形内角和R2圆周长圆周长R二维平直空间二维平直空间球面球面测地线是弧线测地线是弧线三角形三角形 OAB 内角和内角和R2圆周长圆周长二维弯曲空间二维弯曲空间如如 OARA AB BO O广义相对论打破了我们头脑中固有的平直空间的概念。弯曲的空 间中，欧几里德几何学不再适用。广义相对论打破了我们头脑中固有的平直空间的概念。弯曲的空 间中，欧几里德几何学不
16、再适用。5.2.2 弯曲空间的概念弯曲空间的概念5.2.3 引力场的空间弯曲引力场的空间弯曲在此涉及两个惯性系：在此涉及两个惯性系： S系：即实验室系系：即实验室系S系：与盘边缘系：与盘边缘P点相连的局惯系点相连的局惯系研究的问题研究的问题：两参考系中测量圆周长分别在两个参照系中测量圆盘半径以爱因斯坦转盘为例说明：两参考系中测量圆周长分别在两个参照系中测量圆盘半径以爱因斯坦转盘为例说明rr 径向无相对运动径向无相对运动22 1crllrl2rl2由洛仑兹变换可得由洛仑兹变换可得Pr分别在两个参照系中测量圆盘周长（尺子沿长度方向有速 度收缩）分别在两个参照系中测量圆盘周长（尺子沿长度方向有速 度
