文科物理课件：5相对论与宇宙观

1、第五章 相对论与宇宙观,5.1 狭义相对论 5.2 广义相对论 5.3 宇宙观,第五章 相对论与宇宙观,5.1狭义相对论5.1.1“以太”零漂移 17世纪初，法国哲学家、数学家、物理学家笛卡儿继承并发展了古希腊的“以太”观念，形成了“以大学说”： “原始混沌的物质弥漫整个空间，并做旋转运动，形成漩涡。”“以太是构成空间的原料。”他用以太漩涡理论解释各种自然现象，这种理论很快被人们接受。 可是，按照波动理论必须赋予“以太”以多种奇异的特性它既是极轻的极稀薄的流体，对天体运行毫无阻力，又要具有弹性模量比钢还大的固体弹性，以便传递横波。“以太”具有这两种水火不相容的奇异特性是十分难以想象的。,奇特的

2、“以太”在何方，它究竟是什么东西，成为19世纪和20世纪初物理学家们特别注目的问题。既然假定“以太”充满整个空间和物体中，那么运动物体是否会对“以太”产生影响，“以太”是否被拖曳？这为科学家们探索“以太”提供了最佳途径。 1818年，菲涅耳在给法国政治家、物理学家阿拉果的信中提出了部分拖曳假说。他认为，整个空间的“以太”是静止的，透明体中的“以太”可以部分地被这一物体拖曳。 从菲涅耳部分拖曳理论出发，依据运动的相对性可知，物体在静止“以太”中运动，就相当于“以太”相对于物体飘移，运动物体就受到了与其运动方向相反的“以太风”。地球绕着太阳在真空(静止以太)中运动，其速度为每秒30公里，自然应该探

3、测到“以太”对于地球的飘移。测定“以太”飘移成了物理学家们探索与研究“以太”的新途径。,“以太飘移”的测定，是由美国实验物理学家迈克尔逊和莫雷于1886年完成的。 迈克尔逊莫雷实验得到了“以太飘移的零结果”。自此后，近50年中有11位科学家发表了13份精确实验数据，都得到了“以太飘移的零结果”。这是对“以太”存在与否的判定性实验。,迈克尔逊- 莫雷实验装置,5.1.2 狭义相对论的创立,一、相对论的先驱 1899年彭加勒提出了“以太”不存在的可能性； 1904年彭加勒明确地表示，应该把相对性原理从力学现象扩展到各种物理现象；,在1904年出版的科学与假设中，彭加勒指出，绝对空间是不存在的，绝对

4、时间是没有的。我们所能理解的只不过是相对运动而已。所谓两个事件经历的时间相等的说法是没有实际意义的。,二、爱因斯坦发现狭义相对论,1、狭义相对性原理： 公设1：一切运动定律（不限于力学运动定律）在所有惯性系里都一样地成立；并没有哪一个惯性系是特殊的。 公设2：光速不变原理。,2、 狭义相对论的建立,爱因斯坦发现电动力学的方程并不具有伽利略变换的不变性，但他认定相对性原理为一切物理定律都必须遵循的原则，那末就会想到两惯性系之间必有新的时空变换来取代伽利略变换,爱因斯坦正是以光速不变原理为前提，又考虑到时间和空间的均匀性，便轻而易举地推导出反映时空联系的洛伦兹变换。,1905年6月，爱因斯坦发表了

5、划时代论文论动体的电动力学，宣告了新时空理论的诞生。 相对论动力学在低速时会过渡到牛顿力学，那就表明相对论体系已包含了牛顿力学；或者说，爱因斯坦以其相对论时空观改造了牛顿力学，使其推广成为相对论动力学。 更确切地说，牛顿力学反映低速范围的物质运动规律，而相对论适合于的物质运动范围，可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于光速的范围内的力学运动规律，其中不仅包括高速运动、也包括低速运动。,(2) 时间延缓效应,时间延缓效应即意味着时间的相对性。为便于理解，以“爱因斯坦火车”为例说明之。 从车厢底部向顶部的反光镜发射一强光脉冲，尔后光脉冲被反光镜反射回底部，见图。,“动钟变慢”又称作时间膨胀（或时

6、缓）效应。,影视资料片：时钟变慢,孪生子效应 设想一对年华正茂的孪生兄弟，哥哥告别弟弟，登上访问牛郎织女的旅程。归来时，阿哥仍是风度翩翩一少年，而前来迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里“天上方一日，地上已七年”的说法！ 按照相对论，运动不是相对的吗？上面是从“天” 看 “地”，若从“地” 看 “天”，还应有“地上方一日，天上已七年”的效应。为什么在这里天、地不对称？这便是所说的“孪生子佯谬 twin paradox”。,从逻辑上看，这佯谬并不存在，因为天、地两个参考系的确不对称的。从原则上讲，“地”可以是一个惯性参考系，而“ 天”却不能。否则它将一去不复返，兄弟永别了，谁也不

7、再有机会直接看到对方的年龄。“ 天”之所以能返回，必有加速度，这就超出狭义相对论的理论范围，需要用广义相对论去讨论。 广义相对论对上述被看作“佯谬”的效应是肯定的，认为这种现象能够发生。 用仪器模拟的“孪生子”实验已成为可能。 1971 年完成了两完全相同的铯原子钟分别向东和向西绕地球一周的实验。,(1) 长度收缩效应,设想“爱因斯坦火车”以v=0.97c =29万公里/秒的速度驶过一座长L=580万公里的大桥。火车从桥的一端驶至另一端时，用置于桥两端的两只预先对准了的钟来测量，测得所花费的时间t=L/v=20秒。但用火车上乘客携带的钟来测量，桥的一端和另一端分别经过他身边的时间间隔是 =5秒

8、钟。这两个时间数值的测量与上述反光实验中的时间测量相雷同。故而在乘客看来，大桥长L=V=145万公里。这种现象称为长度收缩效应，俗称“动尺变短”。 影视资料片：长度收缩,本征时间：在静止参考系中测量到的时间。 本征长度：在静止参考系测得的物体长度。 时间膨胀和长度收缩这两种效应反映了时空的相对性。 地面参考系里的观察者以为火车上的钟走慢了；反之，火车乘客以为地面的钟走慢了。 同样，乘客以为大桥缩短了，与地面观察者以为火车缩短了的结论是一样的。 “动尺”总是缩短，“动钟”总是变慢； 本征时间和本征长度具有绝对意义。,(3) 同时性的相对性,时间膨胀和长度收缩这两种效应的起因，其实就在于同时概念的

9、相对性；效应及其起因都可由洛伦兹变换给出定量的解释。 此外，用洛伦兹变换还可说明，具有因果关系的两个事件的先后次序不可能倒转，总是因先果后；此即意指时空虽然可变，但相对论并不违背因果性原理。 影视资料片： 相对论、同时的相对性、 爱因斯坦录像、爱因斯坦大脑,四维时空空间,1907年，德国数学家闵可夫斯基引入四维时空空间，使时间和空间结合成一个统一体；在这个四维空间中建立坐标系，当然有四根相互正交的坐标轴，三根是空间坐标轴，一根是时间坐标轴。 爱因斯坦指出：“世界是一个四维时空连续区，是最平凡不过的说法。因为物理现象的世界是由各个事件组成的，而每个事件又是由四个数来描述的，这四个数就是三个空间坐

10、标 x,y,z 和一个时间坐标 t ”。,3. 相对论动力学的主要结论,质能方程 质量和能量结合为一体： 物体的质量是它所含能量的量度；如果能量改变了，那末质量也就相应地改变。 质量可变,其中mo 是在物体随动参考系中所测得的质量，也就是它的静止质量，或叫本征质量；而在相对于物体以速度 v 运动的惯性系里测量的质量 m 称为物体的运动质量。,能量与动量的关系式 该式往往称作相对论能量的毕达哥拉斯方程，因为总能量 E 与静能 m0c2 以及动量的 c 倍三者之 间正满足几何 学中的毕达哥 拉斯定理，如 图清楚可见。,说明：四维动量（三维动量p和一维能量E/c）的大小为守恒量。,5.1.3 狭义相

11、对论创立的意义和历史地位,狭义相对论建立后，否定了“以太”的存在，扫除了经典物理学上空的一朵“乌云”，迈克耳逊莫雷实验、菲索的流水实验都得到了正确的解释；对考夫曼实验中发现的电子质量随其运动速度而增大的现象，以相对论质量效应给予圆满解释。相对论的出现为解除19世纪末20世纪初的“物理学危机”，做出了重大贡献，极大地推动了科学的发展，取得了辉煌的成果。,在科学方面，狭义相对论引导人们研究高速物体和场的运动规律，使人类的研究领域更深入更广泛地进入微观世界和宇宙。 在研究微粒子方面，导致了狄拉克的相对论量子力学的诞生，解决了电子自旋等现代科学中的难题。 用相对论质能关系式E = mc2 可以计算核裂

12、变和聚变产生的巨大能量，使人类跨入了原子能时代。 相对论质能关系公式还可以解释镭能持久地放射能量和太阳具有的巨大能量的起因。 质能公式已成为正在发展中的原子核物理学和基本粒子物理学的理论基础，它在即将出现的新的科学技术突破中必能大显身手。,狭义相对论的诞生，标志着经典物理学的终结，它打开了认识单个高速运动物体的各种内在性质和运动规律的大门，谱写了物理学的新篇章。 在哲学上，狭义相对论给牛顿的绝对时空观以有力的批判，指明了空间和时间的相对性，时间、空间与运动物质的关系，在自然科学领域证明了马克思主义哲学中提到的“时间空间是物质存在形式”的科学论断。相对时空观为我们认识自然界开辟了新途径，具有划时

13、代的科学价值和历史意义。,5.1.4 爱因斯坦相对论思想发展的线索,1905年建立狭义相对论的历史条件已经成熟，走到狭义相对论门前的学者中，有洛伦兹、庞加莱、爱因斯坦，无论就学识的渊博还是数学水平来讲，洛伦兹、庞加莱都比爱因斯坦强，但为何不是由他们建立狭义相对论，而是由“初出茅庐”的爱因斯坦建立狭义相对论呢? 他受了哪些因素的推动? 受了哪些思想的启发? 经历了哪些曲折、克服了哪些困难而建立狭义相对论的呢?,一、“追光”问题引起的沉思 二、以太漂移实验零结果的启示 三、困处于两大矛盾之中:狭义相对性原理同麦克斯韦方程相矛盾,光速不变原理与速度合成法则的矛盾 四、对电磁场对称性的考虑 五、普朗克

14、著作的启发 六、光速不变性概念与速度合成之间的矛盾的解决,相对论思想发展的线索,5.2 广义相对论,狭义相对论是均以惯性系作为参照背景，亦即惯性系处在特殊的优越地位；再则，20世纪初叶人们只知道两种相互作用：引力和电磁作用，可是狭义相对论未能解决引力问题，故而爱因斯坦对此心犹不满。 论及作加速运动的非惯性参考系，自然与引力问题联系起来。这就是爱氏构建相对论第二个层次，即广义相对论的初衷和契机。其实，他还是从进一步延拓相对性原理的涵义着手的，使思维的触角超出惯性系的囿限，而把一切参考系等量齐观。,5.2.1 广义相对论,1、等效原理和马赫原理 爱因斯坦从最基本的经验事实出发考虑引力问题。 地面物

15、体受到地球的引力，正比于引力质量; 因地球转动而产生的惯性离心力正比于惯性质量。 法国物理学家厄缶通过精巧的扭秤实验，证明不同物体的在精度范围内引力质量mG与惯性质量mI是相等的；正因为不同物体的mG与mI均相等，故不同物体在均匀引力场中下落的加速度相同；或者说，所有不同的点粒子在引力场中的给定点均以相同的加速度下落。,既然mG=mI，爱因斯坦认为“应当在理论物理的原理中找到它自身的反映”。因为“只有当这种数值上的相等归结为两个概念的真正本质上的等同之后，科学才能有充分的理由来规定这种数值上的相等”。 仍以地面上随地球转动的物体为例，爱氏分析了mG和mI二者性质相同的理由：“如果我把作用在一切

16、对地球相对静止的物体的离心力设想为一种实在的引力场，我岂不是可以把地球看作是不在转动的吗？如果这个观念能够行得通，那末我们就能真正地证明引力和惯性的同一性。因为这一性质从不参与转动的体系来看，是惯性；而从参与转动的体系来看，却可解释为引力。”,等效原理： 引力场与参考系的相当的加速度在物理上完全等效。 例： “爱因斯坦升降机”，是指爱氏设想的远离任何物质体系的空间区域里作匀加速直线运动的升降机；亦可置其引力场中自由下落。对于后者，升降机中的物体不受到引力场的作用，而处于失重的状态。,结论：允许用一个均匀加速的参考系（非惯性系）来代替惯性系中的均匀引力场；在此非惯性系里，引力场被消除了。 一般的

17、引力场并不均匀，所以消除引力场只在局部范围里才是可能的。鉴于上述，等效原理也可表述为：不可能通过局部动力学效应来区分引力和惯性力。,19世纪，法国科学家马赫对惯性起因有大胆的见解：惯性的原因是所考察的质点与所有其余质点的相互作用。这样的见解与等效原理的精神相符合，甚至对mI=mG有了更深一层的解释。爱因斯坦把这个见解称作“马赫原理”。 按照马赫原理，牛顿力学中所谓“由绝对空间产生质点的惯性”的说法，乃是站不住脚的，绝对空间观念当然是多余的。马赫其实是最早批判绝对时空观念的人，故而爱因斯坦称他为相对论的先驱者。,2、相对性原理的再延拓,等效原理的确立，使非惯性系显得重要起来；换言之，等效原理否定

18、了惯性系的特殊优越地位，这样就使相对性原理的进一步推广成为一种逻辑的必然。 广义相对性原理：在所有参考系中描述物质运动规律来说都是平权的，二者处在同等的地位上（就如在狭义相对论中，一切惯性系都处在同等的地位上一样）。,3、弯曲时空概念的确立,根据等效原理将惯性定律推广到地球的非均匀引力场时，可以这样来表述：一切重物的自然运动都是向地球中心加速降落。 在引力场中物体运动轨道的弯曲并不是由于力的作用引起的，而是空间特殊性质的结果，这一点与牛顿理论有区别。,例如，在重物附近，光并不按欧儿里德的“直线”传播，包括光束在内的一切物体(没有外力时)都是按曲线轨道运动。因此，可以认为空间本身是弯曲的。,欧儿

19、里德“直线”,光束,摆在我们面前的是两种选择： 1、要么认为物体附近的空间是欧儿里德的， 但任何物体都不按直线运动； 2、要么认为空间本身具有一定的曲率。爱 因斯坦选择了后者。 爱因斯坦假设等效原理不仅仅适用于力学，而且也适用于所有物理学规律。,随着广义相对论的构建，以及之后求得爱因斯坦场方程的某些精确解和近似解，弯曲时空概念得以在科学舞台上确立，并为越来越多的人所接受。 下图表示物质分布使时空弯曲。,非欧氏几何空间： 例如：二维的正曲率的球面和负曲率的锥面。 平面的曲率为零，平面三角形的三内角之和为180； 正曲率曲面上的三角形其三内角之和大于180 ； 负曲率曲面上的三角形其三内角之和小于

20、180。,爱因斯坦采用四维黎曼型空间作为引力场弯曲时空的几何形式。,1、光束弯曲 当光束通过引力场时，根据等效原理，它的轨道应当弯曲。,例如：星光经过太阳边缘时，我们应当观察到光束的“位移”，这种位移只有在日蚀时才可能发现。,星,5.2.2 广义相对论的实验验证,1919年日全蚀期间，国际考察团对此进行了考察，考察人员在日蚀时刻拍摄了星空的照片，然后将这些照片与没有太阳时这同一部分星空的照片相比较，发现星的位置移动了。这就证实了爱因斯坦关于光束从太阳近旁通过时要发生偏移的预言(角度偏移约1.75)。 光线在引力场中弯曲的一个必然推论是引力透镜成象问题。早在1920年爱丁顿就提出引力场会聚成象可

21、作为广义相对论的一种检验；,1936年爱因斯坦提出引力透镜是散焦的，一般成双象；后来有多人对此问题作了进一步的讨论。但由于一直没有观测结果的支持，引力透镜的思想长期受到冷落。 1979年瓦尔什等人宣布发现一对孪生类星体 QSOS0957 + 561A、B，它们之间的角距离只有5.7，发射光谱和吸收光谱在很宽的波段内都一样，红移量也都约为 1.4 Ao 。 后经各方认证，多数天体物理学家认为这是引力透镜成双象的一个事例。自此以后又陆续发现其它一些多重象的例子。,2、引力红移 时钟的走速与它所在位置的引力场场强大小有关。从广义相对论观点来说，这一点可用来解释双胞胎的经论。可以认为，当宇宙飞船减速和

22、转弯的时候，在飞船中的那一个双胞胎将经受引力场的作用，而留在地球上的兄弟却没有这种作用，这就造成了两兄弟间的差别。 原子或光子(将在后面章节正式引入光子概念)的振动可以看作是最简单的时钟。光子振动频率的变动使光束的颜色向光谱的红色端偏移，因此把它称为引力红移。,光子的能量与频率关系： E = h ( 其中 h = 6.710-34Js ) 能量与质量的关系： E = mc2， 则光子具有动质量： m = h/c2。 由于任何质量都受引力的作用，则当频率为0光子位于质量 Ms，半径为 Rs 的一个大星球表面附近时，它的引力势能：Ep= - Gh0 Ms /Rs c2 当光子从星球的低势能向地球的

23、高势能运动时，能量 E 要减小，相应的频率也降低。,所以光子频率的相对移动： /0 = (0 -)/0 = ( Ms/Rs -Me/Re) G/c2 例如典型的白矮星半径 Rs 9106 m，质量 Ms 1.21030kg，则/0 10-4。,能量守恒定律： h- GhMe/c2Re = h0 - Gh0Ms/c2Rs 其中 Me 和 Re 分别为地球的质量和半径，为到达地球时光子的频率。,h 光子 h0,若观察波长为 500010-10 m的可见光，则引力红移 | 0.510-10 m。 在对白矮星天狼 B ( 天狼 B 星是天狼星的伴星 )发出的光进行观察的实验中， 理论预言为：/0 5.

24、910-5 观察结果为：/0 6.610-5 如果考虑到天狼星 B 的 M/R 值的观测误差，可以说实验结果证实了理论预言。,3、水星近日点的进动 行星实际上并不按椭圆运动，因为邻近天体的影响对这行星的运动产生摄动。,举例：水星特别明显地表现在所谓近日点的进动上。按照开普勒的理论，行星每年都应通过同一个近日点。但由观察得知，这个轨道点的位置相对于不动的恒星每一百年约变化1o3320”。,如果把所有看得见的已知行星的影响都考虑在内，则我们得到的水星近日点进动的数值为每一百年约13237。 牛顿万有定律预言的结果与天文观察的结果每一百年相差43，产生原因未能获得解释。 起初曾把这个现象归结于另一行

25、星的影响，并预先把它命名为火神星，但一直没有发现这个行星。 广义相对论可以导出牛顿万有定律所涉及的其他行星的一切结论，而且也能给出水星近日点进行每百年所缺少的43。,广义相对论的三个著名预言： 1、光束弯曲 2、引力红移 3、水星近日点的进动 它们已在不同精度上得到了证实，因而可以说是“广义相对论的三大实验验证”。 爱因斯坦建立广义相对论后的五十年间，基本上只有这“三大验证”。直到六十年代，美国物理学家夏皮罗等人才提出了“第四验证”雷达回波的时间延迟。,广义相对论作为一种引力理论，尽管在理论上还存在不少问题，但比起其它引力理论来，在解释目前为数不多的实验上，仍然占着领先的地位。它的观点和方法，

26、在整个二十世纪理论物理中不仅是一项非常重大的收获，而且对物理学和有关数学分支的发展产生了十分深刻的影响。 影视资料片：空间弯曲、超时空旅行,5.2 3 爱因斯坦的科学思想方法,爱因斯坦的科学思想与科学方法有以下基本特点。 第一，他坚持了自然科学的唯物主义传统。表现在他的认识论和自然观上，他相信在我们之外有一个独立于我们的客观世界。爱因斯坦在他整个的科学探索过程中，始终坚持着这一信念，这是他的科学探索方法的一个前提。他在科学研究中坚持以实验事实为出发点，反对以先验的概念为出发点。 第二，爱因斯坦的科学思想体现了物质世界统一性的思想。 第三，爱因斯坦具有追求真理的探索精神。 第四，爱因斯坦注意发展

27、创造性思维能力和独立思考能力。,爱因斯坦关于人与社会关系的观点 在30年代初写的“社会和个人”文中指出：“个人之所以成为个人，以及他的生存之所以有意义，与其说是靠着他个人的力量，不如说是由于他是伟大人类社会的一个成员。从生到死。社会都支配着他的物质生活和精神生活。” 1945年5月在“为什么要社会主义”一文中说：“是社会供给人以粮食、衣服、住宅、劳动工具、语言、思想形式和大部分的思想内容；通过过去和现存亿万人的劳动和成就，他才可能生活。而这亿万人全部都隐藏在社会这两个小小字眼的背后。” 爱因斯坦对人与社会的关系的观点：就是个人不能离开社会而存在。个人的存在依赖于整个社会从历史到现实，从物质到精

28、神的创造成果。,正是在这样的社会历史观的基础上，爱因斯坦在他的“我的世界观”文中指出：“人是为别人而生存的。”“我的精神生活和物质生活都依系着别人的劳动。我必须尽全力以同样的分量来报偿我所领受的和至今还在领受着的东西。”又说：“一个人的价值首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。” 爱因斯坦的这种人的价值现在我们今天这个社会里也是具有教育意义的。爱因斯坦的著名格言是：“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。”,5. 3 现代宇宙观,5.3.1 哥白尼“太阳中心说”的建立 到公元140年左右，亚历山大城的天文学家托勒密在他的巨著天文学大成中，提出较完整的宇

29、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，由此取得了学术界一千四百多年的统治地位。,托勒密把每个行星的运动描绘为均轮大圆运行+本轮小圆回转，整个宇宙就有80多个圆。,波兰天文学家哥白尼提出了日心说，但由于担心教会的谴责，哥白尼迟迟没有公开发表自己日心地动的见解，大约到1536年，哥白尼写了一个关于体系的纲要，并抄赠朋友们传阅。 1539年他写出了天文学史上的伟大著作论天球的旋转（后人记作天体运行论），系统地论述了日心地动论，哥白尼深知这一理论太富于革命性，所以迟迟不敢公之于世。直至1543年5月24日才正式出版。 新教领袖马丁路德坚决反对哥白尼日心说,哥白

30、尼日心说变成了以太阳为中心的34个大小不同的同心圆。宇宙竟然是如此的简单和清晰。,哥白尼体系具有一种内在的和谐性，使宇宙显示出一种令人赞叹的对称性。 哥白尼著作的出版是科学史上的一次革命，它反对了统治近2000年的亚里士多德，也反对了圣经，从根本上动摇了宗教赖以统治的思想基础。 哥白尼的日心说是自然科学从神学中解放出来的标志，它不仅正确地描绘了行星绕太阳的运行，而且提出了人与自然的关系人类在自然界中的地位这样深刻的命题。地球上的人类，不再处于宇宙的中心，不再具有主宰的地位。,爱因斯坦说：“哥白尼的伟大成就，不仅铺平了通向近代天文学的道路，而且也帮助人们在宇宙观上引起了决定性的变革，一旦认识到地

31、球不是宇宙中心，而只是较小的行星之一，以人类为中心的妄想也就站不住脚了。” 美国科学史家、哲学家库恩说，哥白尼革命的意义主要在社会学方面，日心说触动了长期在欧洲占统治地位的宗教观念（把人类自己放在宇宙的中心上），在教会看来，地球运动说法与圣经明显抵触。,1584年在伦敦出版了他的哲学著作论原因本原和太一、论无限的宇宙和多世界，他通过哲学思辨提出了无限宇宙的思想，认为宇宙是统一的，物质是无限的，太阳之外还有无限多个世界，太阳并不是静止，也处于运动之中，太阳不是宇宙中心，无限的宇宙根本没有中心。 1600年2月17日布鲁诺被活活烧死在罗马鲜花广场上。,布鲁诺宣扬无神说，发展日心说。,日心说的主要困

32、难： 人们普遍不相信地球可能运动，因为无法解释为什么地球上形不成一股持久不断的东风，为什么落体不向西移，圣经如是说，日常经验亦如此。 几十年后，伽利略证明了一个像地球这样的系统处于匀速运动中符合惯性原理才解决了那个长期困扰人们的难题，这时哥白尼革命的效应才真正释放出来。 资料片：天文学开拓者,5.3.2 相对论天体物理,相对论天体物理大体上包括后牛顿天体力学、引力波物理、致密天体物理、黑洞物理以及相对论宇宙学等内容。一、后牛顿天体力学 后牛顿近似效应的天体力学，主要适用于缓慢运动的天体系统。行星轨道的进动、自转同轨道运动的耦合等重要的广义相对论效应，都属于后牛顿天体力学的范畴。,二、引力波物理

33、,早在1916年爱因斯坦就根据引力场方程弱场近似预言了弱引力波的存在，直到50年代末，才求出了爱因斯坦真空场方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格的波动解，并证明了检验粒子在引力波作用下会产生运动，从而表明了引力波携带着能量。显然，由于引力波与物质作用极为微弱，对它的探测就极为困难。70年代初，有人宣称探测到了不能排除是来自太空的引力波信号。但是，以后没有人能够重复得到这一结果。70年代末，泰勒等人公布了对射电脉冲双星 PSR 1913+16公转周期变短的长期观测的结果。泰勒等人认为这种效应是由于引力辐射不断带走能量所引起的。他们的结果在20的误差范围内同引力辐射的理论计算一致。,三、

34、致密天体物理,30年代初期中子被发现后不久，朗道预言可能存在中子星；30年代末，利用广义相对论，奥本海默等人讨论了形成球对称稳定中子星的质量上限，现在称为奥本海默极限，约为2 3 M太阳。奥本海默当时就指出，如果星体质量大于这个上限，引力坍缩将一直进行下去，直到收缩为一个体积为零、密度无穷大的奇点。这一结论一直受到包括爱因斯坦在内的许多物理学家的怀疑。直到1963年施密特发现类星体，1967年休伊什等人发现脉冲星，脉冲星又被确认为是快速旋转，磁场极强的中子星之后，奥本海默的工作才受到重视，并推动了对强引力场和引力坍缩的深入研究。70年代以来，有人根据粒子物理的一些理论，又提出可能存在反常中子星

35、、夸克（层子）星等等，以及相应的新的平衡极限。,四、奇妙的黑洞,1、什么是黑洞 1795年，著名的数学家拉普拉斯曾指出：有一个发光体，它的密度与地球密度一样，其直径比太阳的直径大250倍，可是由于被吸引的缘故，无法使其光线达到地球。,黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦进入该区域，便永远不能出来。,黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，能使邻近处时空弯曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至光线也不能幸免。,右图形象地表示了这一点：一旋转黑洞的时空结构宛若一个大漏斗，把万物全部吞下。,以克尔黑洞为例：

36、 克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在静界和外视界之间的 空间称为能层。物体进 入能层尚还可以从中再 返回到黑洞外部的空间 ，一旦物体进入了外视 界，便永远不能再逃出 来了。,克尔黑洞静界和视界,2、黑洞的性质,黑洞的无毛定理 从黑洞那里得不到任何信息，包括光讯号。 黑洞长着三根毛 黑洞有质量M、 自转角动量J、 带有电荷Q。,黑洞有三根“毛”,英国学者潘罗斯设想了一个大胆的试验，即让一个装置先进入黑洞的能层，再从能层中出来，于是这个装置就可以从能层中携带出能量。好象用一个瓢伸进 能层中把能量舀出来一 样。如果潘氏的的设想 得以实现，这也许是世 界上解

37、决能源危机的绝 妙方法之一。,从能层中获取能量,(2) 黑洞具有负的热容量或比热,如果高温物体A、物体低温B的热容量皆为正，则A由于放热，温度下降；B由于吸热而温度上升。最后A、B之间建立起热平衡。 如果设A、B的热容量皆为负，当热量从A 传到B 时，A 的温度反而更加高，B 吸热后温度会更低，二者温差愈来愈悬殊，永远不可能建立热平衡。 黑洞正是这种具有负热容量的怪物。如果一个黑洞和一个正热容量的环境进行热交换，则黑洞一面向周围提供热量，使环境温度升高，一面也使自己的温度同时升高，它温暖了别人，也温暖了自己！如果真有这样一种负热容量的材料，若用它来做一个“热水袋”温手，那么用不着盛热水，这个袋

38、子倒会越用越暖和哩。,(3) 时空互换：在黑洞里面，时间和空间变得面目全非，它们相互交换，时间摇身一变成了空间，空间也乔装改扮成了时间 。 (4)黑洞的蒸发: 运用量子理论，英国物理学家史蒂芬霍金提出了黑洞的量子论，指出黑洞里的粒子不是绝对不能逃出来的，它可以通过一种量子隧道过程蒸发出来，这称为黑洞的蒸发。,3、怎样探测黑洞,(1) 引力效应：当黑洞在宇宙中行走时，会产生很强的引力效应。当星星、黑洞与观察者处在一条直线上时，由于星S发出的光在黑洞B附近弯曲，因此我们可以观察到两颗相同的星S的虚像，于是可以 推测有一个黑洞B 从中经过，尽管我 们并没有看见B。,表示星光在黑洞附近的弯曲,黑洞经常

39、是以双星结构形式存在的。如果有一个双星，其中一个可见，另一个不可见，则看不见的那颗很有可能是黑洞。由于双星总是绕其质心转动的，只要测出可见的那颗星的,双星B-S绕质心C旋转,旋转周期，就可知道双星的周期。双星旋转时，要辐射引力波，因而其转动动能将损失，随之周期亦会变短，我们从对周期的测量中就能推算出另一颗看不见的星的质量。,3、怎样探测黑洞,(2) 辐射效应：黑洞具有极强的引力场，能将周围的物质，不断吸积到它的视界内部。这些物质在向黑洞加速运动的过程中相互碰撞，产生高温高压。因此，它们实际上都已电离成等离子态。这种等离子态的带电粒子在高速飞向黑洞时，不断地辐射各类电磁波或射线，通常是X射线。所

40、以，我们虽不能直接观察到黑洞，但可以观察或接收到黑洞附近发射出来的各种X射线，通过这些X射线，可间接证实黑洞的存在。,(3)黑洞的密度效应：由于黑洞中存在着强引力场作用，故在黑洞周围往往会出现大密度的恒星分布。于是天文观察会发现此处亮度较集中，这就是所谓黑洞的密度效应。 综上所述，黑洞的三根毛，特别是质量M这个重要信息，由于它可以借助引力形式表现出来，从而引起了一系列效应，我们由这些效应便能观察、分析和寻找宇宙中的黑洞。,3、怎样探测黑洞,4、黑洞是怎样形成的,恒星演化：引力坍缩引力势能转化为动能，产生高温高压核反应产生持续的高温、高压，与引力抗衡，形成稳定的星球体核燃料烧尽引力坍缩。 在交替

41、过程中，恒星内部的元素逐渐由轻元素转变为重元素H He C S Fe 。同时，恒星内部的密度愈来愈大，恒星内部半径愈来愈小。 重元素Fe外层有许多电子，在高温高压下，这些电子将全部电离为自由电子。因此，当核燃料烧尽，都成为铁元素时，恒星实际上可以看成是由自由电子致密气体组成的。这些自由电子（费米子）之间存在着一种排斥力，这种排斥力是一种特有的量子现象，我们称这种排斥力为电子的简并压强。,经过计算，钱德拉塞卡证明： 当星球质量M 1.3M太阳 时，电子的简压强可与自引力抗衡而形成稳定的星球，能避免进一步的坍缩。这种星球在天文学上称为白矮星，白矮星的密度大约为水的五百万倍，这就是说。钱德拉塞卡的理

42、论在天文观察上得到证实，宇宙中存在着许多白矮星。 当星球的质量1.3M太阳 M 3.2M太阳时，电子的简并压强不足以与自引力抗衡，星球还会继续坍缩，密度会更大，其产生的高温高压可以将电子全部压入原子核内。电子进入原子核后，会同质子结合生中子。中子化以后，整个星球便由中子组成，中子也是费米子，它也具有简并压强，而且比电子的简并压强要大得多。经过计算得知，当星球质量为1.3M太阳 M 3.2M太阳范围内时，中子简并压强能与自引力抗衡，从而形成一个新的、稳定的中子星。中子星的中心核密度可达水密度的两千亿倍。,当星体的质量M 3.2M太阳时，有人说，中子星将被压成更小的碎片夸克，似乎会出现夸克星。但是

43、夸克有一个更古怪的禁条夸克禁闭，简单地说，要想把中子里面的夸克分开是不可能的，或者说需要无穷大的力！也许夸克打破了中子，但却被禁闭在整个星体之中，好象是装在容器中的夸克汤，人们形象地称之为夸克星。 另一个结论是，当M 3.2M太阳时，再也没有任何物理机制或能量来抵抗自引力，星体将不可阻挡地坍缩下去，直至形成黑洞。英国剑桥大学著名科学家霍金在理论上证明了宇宙中存在黑洞是可能的。,科学家们普遍认为，天文观察中的超新星大爆发是产生黑洞的重要途径之一。超新星在古代中国被称为客星，这种星是一种在星空中突然出现，经过一段时间又突然消失的，且用肉眼可以观察到的新星。由于它来去无踪，故称客星，象是远方来客，住

44、一段时间，又回远方去了。这些客星出现的时间不等，长达半年以上者，则称为超新星。据天文观察统计，在宇宙中每个星系大约数百年出现一个超新星。按照此数据，宇宙之中可能有108 个黑洞。 超新星大爆发时，其中心部分由于受到极高的压力而产生极高的温度，当质量M满足条件时，就会在自引力作用下坍缩为黑洞。 除此之外，由许多星系组成的星系团在引力作用下也会产生坍缩，许多星团的物质向其中心坍缩形成巨大黑洞。,5、宇宙果真有黑洞吗？,在宇宙星空中，科学家们首先把双星作为黑洞的候选者，并认为双星中，有一颗看不见的星是黑洞。这样的双星有： （1） 天鹅X-1：1974发现它有X射线发射出来。 （2） LMC X-3：

45、1983年发现，质量为10M 。 （3） SS433：1980年在银河系内发现。 另外，在星团的星系核中，科学家们发现有一部分光度极大的密度集亮核，其中心可能是一个黑洞，称为M87，它的质量大约是5109 M 。,科学家们推测，类星体中存在有巨大的黑洞。类星体是一种离我们最远、红移量极大的星体。近几年，人们开始用卫星去探测黑洞； 1983年11月，TEMMA卫星探测到英仙座附近的一个鹿豹座边缘有一X射线源，这被认为有可能是一个黑洞； 1985年6，美国航天飞机发现号探测到来自银河中心的黑洞信息； 最近报道哈勃太空望远镜拍到一个巨大的黑洞。 总之，尽管实验还没有完全肯定地证实黑洞的存在，但它已发

46、现了大量的黑洞候选者，为将来进一步探测并最终证实黑洞的存在打下了良好的基础。,影视资料片：超新星黑洞、黑洞与暗物质,5.3.3 相对论宇宙学,相对论宇宙学可以大致分为对宇宙的运动学描述和动力学模型两个部分。 宇宙的运动学描述 以宇宙学原理为基础，利用弗里德曼罗伯孙沃耳克度规来分析、概括宇宙学尺度上的运动学观察事实； 动力学模型 则要根据宇宙演化各个不同阶段的物质状态，求解爱因斯坦场方程，并进一步说明各种有关宇宙演化的规律性。,一、宇宙学原理,宇宙中任何一个部分在本质上是等价的，任何方向都是平权的，这个有关宇宙空间和物质分布均匀且各向同性的假设就是宇宙学原理的基本内容。这个原理也称为哥白尼原理。

47、,1917年爱因斯坦在他的静态宇宙模型中，首次提出宇宙空间均匀各向同性的假定。以后，由于弗里德曼、罗伯孙、沃耳克在2030年代的工作进一步系统地了解了这个原理对宇宙度规的限制，即满足宇宙学原理的宇宙度规只能是弗里德曼罗伯孙沃耳克度规。,弗里德曼,二、宇宙的运动学描述,宇宙学原理和弗里德曼罗伯孙沃耳克度规为宇宙学提供了描述框架。利用这个度规，可以计算出红移同标度因子的关系、红移同距离的关系等等重要的运动学关系。,E.P.哈勃于1929年据当时发现的为数不多的正常星系，提出了星系视向退行速度v同距离D大致成线性关系的经验规律 v = HoD，称这个规律为哈勃定律。Ho为哈勃常数。证实了德西特模型同

48、弗里德曼模型关于宇宙膨胀的预言。,三、微波背景辐射,来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。20世纪60年代初，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪 声相当于3.5 K。1965年， 他们又订正为3 K，并将 这一发现公诸于世，为 此获1978年诺贝尔物理学 奖金。,微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前，流行的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早

49、期。这是对大爆炸宇宙学的强有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料，发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度约为几K或几十K。3 K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。,5.3.5 标准宇宙模型与现代宇宙观,一、爱因斯坦宇宙和弗里德曼宇宙1、爱因斯坦宇宙 1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，提出了引力只不过是由于物体的质量而使时空变弯曲的后果。在此基础上建立的爱因斯坦宇宙模型，为现代宇宙学奠定了基础。 为了形象地说明爱因斯坦的思想，我们可以先设想一个二维的宇宙，这时的爱因斯坦宇宙的整体是一个三维球的二维球面。在这个有限

50、的球面上，既没有边界，也没有中心，与宇宙学原理一致。,爱因斯坦宇宙是一个静态的宇宙 该模型的一个严重缺点是它的不稳定性。按此模型，宇宙一旦经受了一个即使是非常微小的收缩，则由于引力的增加，必将一直收缩下去；反之，一旦有一个微小的膨胀，则必将一直膨胀下去。 既然爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的，也就没有必要再假设宇宙是静止的了。不妨假设宇宙就处在动态，至于是膨胀还是收缩，则要由观测来决定。,2、弗里德曼宇宙,1922年，弗里德曼提出了宇宙在膨胀的假设。 1927年，勒梅特利进一步指出，当时己发现的星系谱线红移现象，可能就是宇宙膨胀的表现。这些预言，被1929年发现的哈勃定律所证实。这就是著名的弗里德

51、曼宇宙模型，它是现代宇宙学的基础。 弗里德曼宇宙在膨胀，并且膨胀减速。如果倒算回去，R 必在过去某个时刻收缩到零。这个时刻(t = 0)可认为是宇宙诞生的时刻。根据哈勃常量的观测值以及球状星团年龄的测定，可知宇宙的年龄应该在114 亿年至250 亿年的范围内。,四、宇宙演化的过程 在大致一百五十多亿年前，宇宙从一个具有无限大的密度和具有无限大的时空曲率的点开始了。 宇宙迅速膨胀，密度和温度迅速降低，到 10 4 4 秒时，重力相互作用和其它相互作用分离开来； 到 10 3 6 秒时，强相互作用和电弱相互作用分离； 大体上可以说10-10 秒以前物质存在形式以夸克物质形态为主，即以密集的夸克胶子

52、等离子体的形式存在。,直到 10 1 0 秒时，宇宙的平均温度大约为 10 15 度，弱相互作用才与电磁相互作用分离，世界变成了有四种基本相互作用的世界。 体积再膨胀，温度再降低后，到 10 - 6 秒时，夸克、反夸克又结合成各种介子和重子，形成强子物质。这时温度大约在 10 13 K 左右。 大爆炸后的一秒钟时宇宙的平均温度大约为 10 10 K。 温度继续降低，到大约 3 分钟时开始，质子和中子结合成较重的原子核，首先是形成氦核。这时宇宙的平均温度大约为 10 9 K。,直到三十多万年后，开始出现原子、分子，这时宇宙的温度降到大约 6000 度。 从大的范围来说，开始形成星体，出现星云系。 这样一个综合了夸克尺度物理和宇观尺度物理的宇宙演化模型的建立，是人类物质认识史上一个最具有革命性的、划时代的伟大事件。 这个宇宙学的标准模型和近年来天体物理学取得的辉煌的成就，在物理学的面前提出了十分严峻的具有本质的挑战。,有待研究的一些问题: 如何理解宇宙这样有限而无