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

第十六講廣義相對(duì)論的誕生和現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展一、狹義相對(duì)論引起的時(shí)空觀革命1．19世紀(jì)末物理學(xué)的危機(jī)在經(jīng)典力學(xué)體系中，在牛頓的絕對(duì)空間中充滿“以太”。1887年美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜(A.A.Michelson,1852—1931)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家莫雷(E.W.Morley,1838—1923)做了檢測(cè)地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)（邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)）。結(jié)果表明地球與以太之間不存在任何運(yùn)動(dòng)。2．狹義相對(duì)論的創(chuàng)立1905年愛因斯坦(A.Einstein,1879—1955)發(fā)表“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”，提出了狹義相對(duì)論。其基本出發(fā)點(diǎn)為：①推廣伽利略的相對(duì)性原理。②光速不變?cè)?。狹義相對(duì)論否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，揭示了時(shí)間、空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間的密切相關(guān)性。時(shí)間和空間是一個(gè)統(tǒng)一體，構(gòu)成了四維時(shí)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(duì)論的誕生1916年愛因斯坦發(fā)表“廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)”，對(duì)引力場(chǎng)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(duì)論的時(shí)空觀念比狹義相對(duì)論更加深刻和徹底，認(rèn)為空間和時(shí)間不能脫離物質(zhì)而存在；物質(zhì)消失了，時(shí)間和空間也就一起消失，總之，時(shí)間、空間和物質(zhì)本身是不可分離的。這是相對(duì)論所揭示的時(shí)空的根本特點(diǎn)。三、廣義相對(duì)論的天文學(xué)驗(yàn)證1．水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)按廣義相對(duì)論理論計(jì)算，行星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)為Δω＝24π3a2/c2T2(1-e2)對(duì)水星計(jì)算結(jié)果為43.03″／cent。2.光線在引力場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)對(duì)于經(jīng)過離太陽中心Δ個(gè)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(duì)到非洲西部的普林西比島觀測(cè)3月29日的日全食，另一隊(duì)到巴西的索布勒爾。兩隊(duì)測(cè)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(duì)論預(yù)言強(qiáng)引力場(chǎng)中時(shí)間進(jìn)程較慢，光譜的譜線向紅端移動(dòng)。1915年美國(guó)天文學(xué)家W．S．亞當(dāng)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(dāng)斯用2．5m口徑望遠(yuǎn)鏡測(cè)出譜線紅移，觀測(cè)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(chǎng)影響會(huì)產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。1967－1970年美國(guó)天文學(xué)家夏皮羅(I.I.Shapiro,1929—)等人在水星、金星處于上合時(shí)用雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果與按廣義相對(duì)論計(jì)算的理論值完全符合。四、現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展1．愛因斯坦的靜態(tài)宇宙學(xué)模型1917年愛因斯坦發(fā)表“根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所作的考查”。這篇論文是現(xiàn)代宇宙學(xué)的奠基之作。文中首次提出宇宙學(xué)原理。通過求解引力場(chǎng)方程，建立了一個(gè)“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型。在場(chǎng)方程中引入了具有斥力性質(zhì)的“宇宙項(xiàng)”。2．弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)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(chǎng)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(shí)天文學(xué)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(chǎng)方程，建立一個(gè)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(cè)效應(yīng)1929年美國(guó)天文學(xué)家哈勃由觀測(cè)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(guó)天文學(xué)家邦迪(H.Bonti,1919—)、戈?duì)柕?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(xué)原理，承認(rèn)宇宙膨脹，認(rèn)為物質(zhì)不斷地從虛空中創(chuàng)生出來。90年代改進(jìn)為準(zhǔn)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(cè)宇宙是由一個(gè)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(guó)物理學(xué)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(xué)元素的起源”，探討宇宙早期的元素合成(αβγ理論)，還預(yù)言有大爆炸殘留的背景輻射。阿爾弗和赫曼(R.C.Herman)進(jìn)一步指出這種殘留的背景輻射