中科大天文學史講義16廣義相對論的誕生和現(xiàn)代宇宙學的發(fā)展

第十六講廣義相對論的誕生和現(xiàn)代宇宙學的發(fā)展一、狹義相對論引起的時空觀革命1．19世紀末物理學的危機在經(jīng)典力學體系中，在牛頓的絕對空間中充滿“以太”。1887年美國物理學家邁克耳遜(A.A.Michelson,1852—1931)和實驗物理學家莫雷(E.W.Morley,1838—1923)做了檢測地球相對于以太運動速度的實驗（邁克耳遜－莫雷實驗）。結(jié)果表明地球與以太之間不存在任何運動。2．狹義相對論的創(chuàng)立1905年愛因斯坦(A.Einstein,1879—1955)發(fā)表“論動體的電動力學”，提出了狹義相對論。其基本出發(fā)點為：①推廣伽利略的相對性原理。②光速不變原理。狹義相對論否定了牛頓的絕對時空觀，揭示了時間、空間與物質(zhì)運動之間的密切相關(guān)性。時間和空間是一個統(tǒng)一體，構(gòu)成了四維時空。愛因斯坦還揭示了質(zhì)量m和能量E之間的關(guān)系，即E＝mc2。二、廣義相對論的誕生1916年愛因斯坦發(fā)表“廣義相對論的基礎”，對引力場的本質(zhì)提出了與牛頓的引力理論完全不同的解釋。廣義相對論的時空觀念比狹義相對論更加深刻和徹底，認為空間和時間不能脫離物質(zhì)而存在；物質(zhì)消失了，時間和空間也就一起消失，總之，時間、空間和物質(zhì)本身是不可分離的。這是相對論所揭示的時空的根本特點。三、廣義相對論的天文學驗證1．水星近日點的反常進動按廣義相對論理論計算，行星近日點的反常進動為Δω＝24π3a2/c2T2(1-e2)對水星計算結(jié)果為43.03″／cent。2.光線在引力場中的偏轉(zhuǎn)對于經(jīng)過離太陽中心Δ個太陽半徑處的光線而言，光線偏轉(zhuǎn)角為a＝1.7″/Δ1919年愛丁頓率隊到非洲西部的普林西比島觀測3月29日的日全食，另一隊到巴西的索布勒爾。兩隊測得太陽邊緣處的偏轉(zhuǎn)角分別為1.61″和1.98″。3.光線的引力紅移廣義相對論預言強引力場中時間進程較慢，光譜的譜線向紅端移動。1915年美國天文學家W．S．亞當斯(W.S.Adams)發(fā)現(xiàn)天狼星位星為白矮星。1924年愛丁頓算出其密度為53kg／cm3，并算出其譜線紅移量。1925年亞當斯用2．5m口徑望遠鏡測出譜線紅移，觀測值與理論值符合。4．電磁波傳播的引力延遲電磁波傳播途徑受引力場影響會產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。1967－1970年美國天文學家夏皮羅(I.I.Shapiro,1929—)等人在水星、金星處于上合時用雷達進行測量。結(jié)果與按廣義相對論計算的理論值完全符合。四、現(xiàn)代宇宙學的發(fā)展1．愛因斯坦的靜態(tài)宇宙學模型1917年愛因斯坦發(fā)表“根據(jù)廣義相對論對宇宙所作的考查”。這篇論文是現(xiàn)代宇宙學的奠基之作。文中首次提出宇宙學原理。通過求解引力場方程，建立了一個“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型。在場方程中引入了具有斥力性質(zhì)的“宇宙項”。2．弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型1922年蘇聯(lián)數(shù)學家弗里德曼(A.A.Φρидман,1888—1925)發(fā)表“論空間的曲率”，重新求解愛因斯坦的引力場方程。指出此方程既存在靜態(tài)解，也存在兩類膨脹解和一類振蕩解。宇宙到底是膨脹還是振蕩取決于宇宙平均密度ρ與臨界密度ρC的比值，后者還決定了空間曲率κ。ρ＜ρC，κ＝－1，雙曲型開放宇宙ρ＝ρC，κ＝0，歐幾里得平直型開放宇宙ρ＞ρC，κ＝＋1無界、有限閉合型宇宙，振蕩。ρC＝3H2G/8πGH＝50hkms-1Mpc-1,為哈勃常數(shù)。h＝0．8－2。1927年比利時天文學家勒梅特(G.Lema?tre,1894—1966)發(fā)表“考慮河外星云視向速度的常質(zhì)量增半徑均勻宇宙”，求解引力場方程，建立一個膨脹宇宙模型，并以宇宙膨脹解釋河外星云的退行。3．宇宙膨脹的觀測效應1929年美國天文學家哈勃由觀測資料總結(jié)出哈勃定律：河外星系的譜線紅移與它的距離成正比。V＝HD。其中，H稱為哈勃常數(shù)。4．穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1958年英國天文學家邦迪(H.Bonti,1919—)、戈爾德(T.Gold,1920—)和霍伊爾(F.Hoyle,1915—)提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。提出廣義宇宙學原理，承認宇宙膨脹，認為物質(zhì)不斷地從虛空中創(chuàng)生出來。90年代改進為準穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。5．大爆炸宇宙模型1932年勒梅特提出觀測宇宙是由一個極端高熱、極端壓縮狀態(tài)的原始原子大爆炸而產(chǎn)生的。1948年俄裔美國物理學家蓋莫夫(G.Gamov,1904—1968)發(fā)表“宇宙的演化”，還與阿爾弗(R.A.Alpher)、貝特(h.A.Bethe,1906—)發(fā)表“化學元素的起源”，探討宇宙早期的元素合成(αβγ理論)，還預言有大爆炸殘留的背景輻射。阿爾弗和赫曼(R.C.Herman)進一步指出這種殘留的背景輻射