大学物理--从惯性的本质到广义相对论

从惯性的本质到广义相对论

1. 惯性的本质

2. 弱等效原理引潮力

3. 强等效原理广义相对论效应

亚里士多德：

自然运动和受迫运动

每个物体都有自己的固有位置，偏离固有位置的物体将趋向它。

地上物体的自然运动沿直线，轻者上升，重者下降；

天体的自然运动永恒地沿圆周进行。

爱因斯坦把科学家们一代代探索自然界秘密的努力，比喻做读福尔摩斯一类侦探小说。在好的侦探故事中，一些最明显的线索往往引导到错误的猜疑上去，凭直觉的推理方法是靠不住的。

直到三百多年前，伽利略才创造了有效的侦察技术，发展了寻求正确线索的系统方法。

伽利略的不朽功勋

惯性原理

伽利略的发现以及他

所用的科学推理方法是

人类思想史上最伟大的

成就之一，而且标志着

物理学的开端。

——A.Einstein 思

想

实

验

伽利略在《对话》中创立惯性定律和相对性原理，为哥白尼的地动说辩护。

要给惯性原理以一个确切的意义,就必须把空间

惯性参考系

nge(1885)《论伽利略惯性定律的科学结构》提出“惯性参考系”的概念——逻辑循环？我们的讲法：

实验表明：在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立。定义：对某一特定物体惯性定律成立的参考系为惯性系。

避免了惯性定律与惯性参考系的逻辑循环！

可见，

惯性不是个别物体的性质，而是时空的性

对绝对时空观的批判

同时代人——惠更斯、莱布尼兹等

贝克莱(英国主教):

马赫: 设想把桶壁的厚度增大到几公里，甚至几十公里, 这一怪桶的旋转将对桶内的水产生一个等效的惯性离心力作用。

马赫的思想——一切运动都是相对于某种物质实体而言的，是相对于远方恒星(或者说是宇宙中全部物质的分布)的加速度引起了惯性力和有关效应。

“马赫原理”

爱因斯坦设想：

(1)加速一个重壳，壳内的质量受力。

(2)旋转此壳，壳内的摆被曳引而动。

这种相互作用应是引力，但不是牛顿1 / r 2 引力。

与电磁相互作用类比，牛顿的引力相当于库仑的静电力；

此处要求的是一种正比于1 / r 的“辐射力”。

这应在广义相对论中得到印证。

“马赫原理”：时空的局部结构(从而试探质点的惯性)，仅由质量和能量的分布所决定。

1918-1921年J.Lense和H.Thirring 根据广义相对论导出：

Sum for inertia ~ 1?

某些质量分布对物体惯性的贡献

要求宇宙平均密度ρ~10-29g/cm3

光度法ρ~3×10-31g/cm3

与早期宇宙暴胀的大爆炸模型不谋而合

暗物质？

全局惯性系？

传统的讲法：

=3×10-2m/s2

地面参考系相对于地心参考系a

1

地心参考系相对于日心参考系a

=6×10-3m/s2

2

=10-10m/s2

日心参考系相对于银心参考系a

3

如此类推，以整个宇宙中的物质为参照物，是否就是一个理想的惯性系？

宇宙参考系（cosmological frame）

参照物——微波背景辐射

1983年Lubkin等人测得微波背景辐射谱偶极各向异性ΔT/T ≈10-3 P.M.Lubkin, G.L.Epstein, & G.I.Smooth, Phys.Rev.Lett.,50(1983),616.按多普勒效应可求得地球相对于微波背景辐射运动的速度。1996年最新数据：360 km/s.

由此可进一步求得太阳系和银河系相对于微波背景辐射的速度。

银河系速度600 km/s，方向银经264.3°、银纬48.2°。

按照广义相对论，只有平直的空间才能用惯性系来描述。许多迹象表明，宇宙中物质平均密度很可能处于临界值，在此情况下宇宙四维时空的三维子空间是平直的。

(对大于108秒差距的宇观尺度上的平均而言)这是否意味着宇宙参考系是一个全局的惯性系呢？

否！因为宇宙在膨胀，不相对静止。

以微波背景辐射为参照物的宇宙参考系

不是刚性的参考系，

故而不是全局性的惯性系，

它描述的并非牛顿的绝对空间。

这不是认识上的回归，

而是螺旋式的上升。

惯性的本质结语

(1)个别物体的惯性是起源于宇宙间所有

其它物质通过对时空性质(或引力场)的影响而产生的。孤立的物体无惯性可言。

(2)物质的惯性与时空性质紧密联系, 不可分离。即物质的惯性制约着时空的性质;而时空的性质又反过来决定物质惯性的存在。

(3)由此可见，物体的惯性本质上是宇宙所有物质间相对运动的基本属性.

爱因斯坦提出：

自然界为什么要给匀速直线运动以一种特殊优越的地位呢？自然界为什么要给惯性系以一种特殊优越的地位呢？

爱因斯坦说：

“在我们这个奥妙的侦探故事中，没有一个已经完全解决的问题，也没有一个永远不变的问题。三百年之后，我们又回到最初的问题上来，修改侦查的程序和寻求过去被忽视的线索，因而得到了我们周围宇宙的另一个不同图景。”

什么是惯性系？

什么是一般的引力定律？

这是爱因斯坦作完狭义相对论之后想解决的两个问题，广义相对论的等效原理一箭双雕地解决了！

他注意到

惯性质量=引力质量

提出

局域惯性系

惯性力是引力的一种形式