大学物理 - 多媒体课件-7 相对论动力学.ppt

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* 圆周长 2?R 引力使空间成为非欧几里德的?空间弯曲 引力场中时间-空间(四维空间)弯曲, 引力场越强,弯曲越严重。 R 周长收缩 R不收缩 时间膨胀 大质量天体 * 光线按最短路线(短程线)行进,因此 在引力场中,光线象粒子被引力加速一样,变弯曲了。 三、广义相对论预言的几个可观察效应 1、光线的引力偏转 大质量天体 光线 * 星光的偏折角。 日全食时拍摄太阳附近的星空照片, 可测出 1919年爱丁顿 Eddington 等测得 1.98?? ? 0.16??。 1973年光学测量结果是 1.60?? ? 0.13??。 近年用射电天文技术测得 1.761?? ? 0.016??。 爱因斯坦预言星光偏转角为 1.75??。 * S 星的实际位置 * 星的视觉位置 ? * 光束在引力场中弯曲,还可解释如下: 时刻1 g 引力场 局域惯性系 2 g 3 g 4 g 光束直线传播 光束 ? 在惯性系中时空平直,而在引力场(非惯性系)中时空弯曲。 * 由于时缓尺缩效应,引力场中光速减小。 2、雷达回波延迟 太阳引力使回波时间加长,称为雷达回波延迟。地球与水星间的雷达回波最大时间差可达240?s。 1964年,夏皮罗(Shapiro)提出一个方法,由地球发射雷达脉冲,到达行星后返回地球,测量信号往返时间,比较雷达波远离太阳和靠近太阳两种情况下,回波时间的差异。 到上世纪70年代末,测量值与理论值之间的差约为1%,80年代利用火星表面的“海盗着陆舱”进行测量,不确定度降到了0.1%。 * 3、引力红移 在没有引力的情况下,每种元素辐射谱线的频率是确定的。 1961测太阳光谱中钠5896?谱线的引力红移,结果与理论偏离小于5%。 1971测太阳光谱中钾7699?谱线的引力红移,结果与理论偏离小于6%。 而在引力场中,由于时缓效应,谱线的频率变小,这称为引力红移。 * H ?0 ? 他们把发射14.4keV的?光子的57Co放射源放在高度为H=22.6m的塔顶,在塔底测量它射来的?光子的频率?,发现比在塔顶的频率?0高了。 【思考】光子的质量为h?/c2,试用牛顿力学解释上述结果。 地面附近的引力红移效应更为微弱。 1959年,庞德 R.V.Pound 和瑞布卡 Q.A.Rebka 在哈佛塔做了一个实验, 理论值: 实验结果为 * 4、水星近日点的进动 按严格平方反比律计算,行星轨道为闭合椭圆。 但实际天文学观测表明,行星轨道并不是严格闭合的,而是绕近日点有进动。 按牛顿力学,考虑坐标系的岁差、其它行星的摄动,水星近日点的进动为每世纪 观测值: 如果考虑空间弯曲对平方反 比律的修正,得? 5600.65??,和观测值相符得非常好。 * 四、黑洞(black hole) 设一飞船自无限远,由静止向星球自由降落。 M 0 r r v m * 这表明,在远离引力源处观察,离引力中心 rs 远处,任何过程(包括光的运动)都进行得无限缓慢(凝滞不动)。 dt ?,dr 0 ? rs 称为史瓦西半径(Schwarzschild radius)。 * 当 时,逃逸速度: r ? rs 任何物体(包括光)都逃不出去 r rs 的球面称为视界(horizon)。 地球: rs 8.8 ╳ 10 -3 m 1cm 太阳:rs 3.0 ╳ 10 3 m 此时rs ? 10 km 。 质量 M ? 2 ? 3 M⊙时, 才可能形成黑洞, r · rs ?黑洞。 * 黑洞拉伸、撕裂并吞噬一小部分恒星,最终将恒星大部分质量抛向宇宙空间的模拟过程图。 * 恒星演化的晚期,其核心部分经过核反应 T ~ 6?109K, 各类中微子过程都能够发生, 中微子将核心区的能量迅速带走 ?引力坍缩 ? 强冲击波 ? 外层物质抛射或超新星爆发 ? 致密天体 (白矮星、中子星、黑洞) “黑洞”不“黑”:1974年,霍金结合量子力学和相对论,指出黑洞并非全黑—黑洞能够辐射,这就是著名的霍金辐射。黑洞在辐射过程中,将能量辐射出去,这意味着黑洞将逐渐缩小,最后在爆炸中结束生命。 * 天文学家还发现,黑洞吸引其他恒星的物质,不是一下子就吸引过去,而是在看不见的周围形成一个会转的物质盘 叫做吸积盘 。另外一个恒星的物质是先打到这个盘上去,盘上的物质才像螺旋一样进入黑洞。 霍金原先的计算显示,黑洞蒸发完全属于热效应,它不应该包含任何信息。当黑洞变得越来越小,最后蒸发到没有时,就意味着已经丢失了全部信息。 但霍金的理论同“信息守恒定律”矛盾,一度被人们称为“黑洞悖论”。 * 但是现在霍金认为,信息进入了黑洞后还是能出来的。只是物质被吸进去以后,黑洞把信息都打散了,不再是原来的样子,面目全非。目前很多科学家都在研究被黑洞重组之后出来信息以何

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