中科大天文学史讲义16广义相对论的诞生和现代宇宙学的发展.docx

第十六讲广义相对论的诞生和现代宇宙学的发展一、狭义相对论引起的时空观革命1 . 19世纪末物理学的危机在经典力学体系中，在牛顿的绝对空间中充满“以太”。1887年美国物理学家迈克耳逊(A. A. Michelson, 18521931)和实 验物理学家莫雷(E. W. Morley, 18381923)做了检测地球相对于以太 运动速度的实验(迈克耳逊一莫雷实验)。结果表明地球与以太之间 不存在任何运动。2 .狭义相对论的创立1905年爱因斯坦(A. Einstein, 18791955)发表“论动体的电动力 学”，提出了狭义相对论。其基本出发点为：推广伽利略的相对性原理。光速不变原理。狭义相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了时间、空间与物质 运动之间的密切相关性。时间和空间是一个统一体，构成了四维时空。爱因斯坦还揭示了质量相和能量E之间的关系，即二、广义相对论的诞生1916年爱因斯坦发表“广义相对论的基础”，对引力场的本质提 出了与牛顿的引力理论完全不同的解释。广义相对论的时空观念比狭义相对论更加深刻和彻底，认为空间 和时间不能脱离物质而存在；物质消失了，时间和空间也就一起消失， 总之，时间、空间和物质本身是不可分离的。这是相对论所揭示的时 空的根本特点。三、广义相对论的天文学验证1 .水星近日点的反常进动按广义相对论理论计算，行星近日点的反常进动为3=24"3屋/。2欣1_02)对水星计算结果为43.03/ cento2 .光线在引力场中的偏转对于经过离太阳中心个太阳半径处的光线而言，光线偏转角为 。=1.7/A1919年爱丁顿率队到非洲西部的普林西比岛观测3月29日的日 全食，另一队到巴西的索布勒尔。两队测得太阳边缘处的偏转角分别 为 1.61和 1.98。3 .光线的引力红移广义相对论预言强引力场中时间进程较慢，光谱的谱线向红端移动。1915年美国天文学家W. S.亚当斯(W.S. Adams)发现天狼星位星 为白矮星。1924年爱丁顿算出其密度为53kg / cm3,并算出其谱线红移量。1925年亚当斯用2. 5m 口径望远镜测出谱线红移，观测值与理论 值符合。4 .电磁波传播的引力延迟电磁波传播途径受引力场影响会产生延迟现象。1967-1970年美国天文学家夏皮罗(I. I. Shapiro, 1929)等人在水 星、金星处于上合时用雷达进行测量。结果与按广义相对论计算的理 论值完全符合。四、现代宇宙学的发展1 .爱因斯坦的静态宇宙学模型1917年爱因斯坦发表“根据广义相对论对宇宙所作的考查”。这篇 论文是现代宇宙学的奠基之作。文中首次提出宇宙学原理。通过求解引力场方程，建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模 型。在场方程中引入了具有斥力性质的“宇宙项二2 .弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型1922年苏联数学家弗里德曼(A. A.PHUMaH, 18881925) 发表“论空间的曲率”，重新求解爱因斯坦的引力场方程。指出此方 程既存在静态解，也存在两类膨胀解和一类振荡解。宇宙到底是膨胀还是振荡取决于宇宙平均密度。与临界密度Qc的 比值，后者还决定了空间曲率P<PC, «= 1,双曲型开放宇宙P= Pc，k=3欧几里得平直型开放宇宙Pc， K= + l无界、有限闭合型宇宙，振荡。Qc=352g/8 九 GH=50h kmsMpc1,为哈勃常数。Zz = O. 8 2o1927年比利时天文学家勒梅特(G. Lemaig 18941966)发表“考 虑河外星云视向速度的常质量增半径均匀宇宙”，求解引力场方程， 建立一个膨胀宇宙模型，并以宇宙膨胀解释河外星云的退行。3 .宇宙膨胀的观测效应1929年美国天文学家哈勃由观测资料总结出哈勃定律：河外星系 的谱线红移与它的距离成正比。V=HD。其中，”称为哈勃常数。4 .稳恒态宇宙模型1958年英国天文学家邦迪(H.Bonti, 1919 ”戈尔德(T. Gold, 1920 )和霍伊尔(F. Hoyle, 1915)提出稳恒态宇宙模型。提出广义宇宙 学原理，承认宇宙膨胀，认为物质不断地从虚空中创生出来。90年代改进为准稳恒态宇宙模型。5 .大爆炸宇宙模型1932年勒梅特提出观测宇宙是由一个极端高热、极端压缩状态的 原始原子大爆炸而产生的。1948年俄裔美国物理学家盖莫夫(G. Gamov, 19041968)发表“宇 宙的演化”,还与阿尔弗(R. A. Alpher)、贝特(h. A. Bethe, 1906)发 表“化学元素的起源”，探讨宇宙早期的元素合成(a B r理论)， 还预言有大爆炸残留的背景辐射。阿尔弗和赫曼(R. C Herman)进一 步指出这种残留的背景辐射可能相当于温度为5K的黑体辐射。1965年美国科学家彭齐亚斯(A. Penzias, 1933)和R. W.威尔逊 (R. W. Wilson, 1936)探测到3K微波背景辐射，证实了盖莫夫等的 预言。