专题5 相对论与宇宙

三、史蒂芬·霍金的生平简介
• 1942.1.8生于牛津（伽利略逝世300周年）
儿时霍金
十一岁时，史蒂芬到圣•爱尔本斯学校上学
• 大学毕业时被确诊为进行性肌肉萎缩
1959年17岁的霍金入读牛津大学的大学学院攻读自然科 学用了很少时间而得到一等荣誉学位，随后转读剑桥大 学研究宇宙学。这是他在牛津大学毕业时拍的一张照片。
2、白洞
白洞是利用爱伊斯坦场方程的史瓦西解提出的模型，是宇宙中的喷射源，可以向外部区域提供物质和能量，但 不能吸收外部区域的任何物质和辐射，所以白洞是一个只发射、不吸收的特殊宇宙天体，与黑洞正好相反
3、虫洞：也叫爱因斯坦－罗森桥，链接不同宇宙的管道
二维时空的三维虫洞
撑开虫洞需要的能量：
撑开1cm虫洞需要地球质量的能量。 撑开1km的虫洞需要太阳质量的能量。 撑开1光年的虫洞需要银河系所有发光星体质量100倍的能量。
4、微型黑洞：前苏联科学家提出，普遍存在于空间之中，体积和质量都很小 很快会蒸发完。
黑洞的特点：
·
r=0，奇点
r
2GM c2
，奇面，视界
黑洞内部时空坐标颠倒，黑洞的奇点是时间的 终点。
落向黑洞
·
远处观察者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗 火箭里的观察者：穿过视界进入黑洞，接近奇点时潮汐力非常大。
白矮星：质量小于3.5个太阳质量的恒星，经历红巨星阶段就会形成白矮星
中子星：质量为3.5~8个太阳质量的恒星，最终形成中子星
黑洞：质量大于8个太阳的，经过爆发后核心形成黑洞。
假Leabharlann Baidu太阳被压缩成三类致密星核的半径与密度比较
角色 半径 平均密度
太阳 70万千米 1.4g/cm3
白矮星 1万千米 1t/cm3
四、宇宙学基本知识
宇宙学是研究宇宙大尺度结构和宇宙形成及演化等基本问题的学科
1、黑洞
1798年拉普拉斯预言黑洞的存在，称之为暗星
GMm 1 mc2 R2
R
2GM c2
c----光子速度 G----引力常数 R----星球半径 M----星球质量 m----光子质量 当星球质量足够大，星球半径足够小，逃逸速度会趋向速度极限——光速
广义相对论的基本原理：
等效性原理：无法通过实验来验证物体是处于一个加速系统中还是 处于一个引力场中（一个均匀的引力场与一个做匀加 速运动的参考系是等价的）
广义相对性原理：所有物理规律在任何参考系中都取同样的形式
广义相对论的等效性原理
广义相对论的等效性原理
结论：引力能 够使光线弯曲
地球
等效性原理：一个均匀的引力场与一个做匀加 速运动的参考系是等价的
中子星
黑洞
10千米
3千米
1亿t/cm3 100亿t/cm3
如何发现黑洞：
1、引力透镜：引力透镜表明镜轴中心有超强质量的致密星体
2、超强X射线或γ射线法：黑洞在吞噬 周围星体时会喷射超强x射线和γ射线
搜索宇宙喷流：哪里有高能宇宙 喷流，哪里就可能有黑洞
几个著名的黑洞
天鹅座X-1双星系统
天鹅座X-1（Cygnus X1，缩写为Cyg X-1）是 一个位于天鹅座方向的 双星系统，最早被认为 是黑洞的天体系统之一。 它于1965年被发现，是 个很强的X射线源。该 黑洞从邻近轨道运行的 蓝色超级巨恒星中吸取 气体，它向内螺旋式释 放着巨大热量，喷射出 高能量X射线和伽马射 线，是人类发现的第一 个黑洞候选天体。
卫星高度：20000公里 卫星速度：14000公里/小时
卫星提供的信息：卫星的轨道位置，信号发射时刻
GPS接收器可算出参数：距卫星的距离r=ct
有效导航需要t的误差不超过20纳秒。
由于引力时间延迟效应，卫星上的时 钟比地面上的时钟每天快45微妙。
水星进动
5600.73±0.41“/百年（观测） 5557.62±0.20“/百年（计算） 43.11“/百年的进动无法解释
勒维耶和亚当斯试图解 释，未成功
广义性对论回答了： 43“/百年
广义相对论预言了引力波的存在
引力波是指时空弯曲中的涟漪，2016年2月11日,激光干涉仪引力波天 文台(LIGO)的科学家宣布首次发现引力波,创造了历史。
爱因斯坦说： 狭义相对论我不发现，五年之内就会有人发现。 广义相对论我不发现，五十年内也不会有人发现。
因斯坦的工作了。
初期科研情况：
1901年-------1篇论文 1902年-------2篇论文 1903年-------1篇论文 1904年-------1篇论文
爱因斯坦的丰收年： 1905年-------5篇论文 3月 解释光电效应---光子说
（6月发表） 4月 博士论文：测定分子大小
的新方法（4月提交）
双生子佯谬
时空相对性 的验证：μ子
相对论速度变换公式
u
u 1
v uv c2
V是火车相对地面的 速度，u'是车上的人 相对火车的速度，u 是车上人相对地面的
速度
相对论质量
m m0 1 (v)2 c
物体运动速度越大，质量越大
质能方程
E mc2
狭义相对论主要结论： 运动的物体时间会变慢，长度会减小，质量会增加
地球被压缩到3mm，太阳被压缩到3km将成为黑洞。
1939年奥本海默再次预言了暗星的存在。
广义相对论 光子 E mc2
2GM r
c2
美国物理学家慧勒，曼哈顿计划 参与者，黑洞的命名者
黑洞是如何形成的 恒星内部存在着两种力量的斗争：
向内收拾 天 体 内 部
向外扩张
万有引力 来自内部和表面的核聚变
小学、中学时期， 在德国慕尼黑
儿时爱因斯坦
1895-1896 瑞士阿劳中学 1896-1900 苏黎世工业大学
大学时的爱因斯坦
少年时的爱因斯坦
1900-1902 艰辛求职，四处碰壁 1902-1909 伯尔尼发明专利局
伯尔尼发明专利局
爱因斯坦和妻子米列娃
希尔伯特： 没有比专利局更适合对艾
黑洞的分类：
1、寻常黑洞（史瓦西黑洞）：质量大于8个太阳质量，是恒星演化到晚期的 产物，普遍存在于宇宙之中。
2、超级大黑洞（星系级黑洞）：普遍存在于星系中心，是星系核心凝聚力 的主要源头。
3、原始黑洞（微体积黑洞）：霍金提出，在宇宙创世之初，能量突变会产生 原始黑洞，体积和分子原子差不多，质量大于10亿吨，由于微小，很容易蒸发。 小于10亿吨的黑洞从宇宙创世之初到现在基本挥发完了。
光速不变原理
迈克尔-逊莫雷实验说明光速相对不同参考系都是相同的。
同时的相对性
结论：沿运动方向 位置靠前的事件后 发生，位置靠后的 事件先发生。
长度的相对性
l l0
1 (v)2 c
一条沿自身长度方向运动的物体，其长度总比静止时的长度小
时间间隔的相对性
t t 1 (v)2 c
高速运动的物体时间会变慢
半径小于1光年的虫洞的张力，远大于 原子之间的引力，不能进行星际旅行
4、暗物质
+84%
暗物质
5、暗能量
暗能量是驱动宇宙膨胀运动的一种能量。它和暗物质都不 会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的 技术进行观测。
广义相对论的验证
1919年，英国爱丁顿在西非普林西比在6-8分钟时间拍了15张照片
广义相对论对万有引力的解释——时空弯曲
引力时钟变慢
r
t2
M
t1
t2 t1
1
2GM c2r
结论：在大质量星体附近， 时间会变慢
引力红移
结论：在大质量星体附近， 原子发光频率比同种原子在地 球上发光频率低。
相对论的应用：GPS导航
物理学的两朵乌云
专题五 相对论与宇宙 专题六 传统通讯与量子通讯
• 1900年，为庆祝新世纪的到来，英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家，威廉 汤姆逊回顾过去几百年的发展史，充满自信地宣称：“科学的大厦已经基本建成，未来 的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了”。不过他也承认“在明朗的天空中还有 两朵小小的，令人不安的乌云”。一朵与黑体辐射有关，另一朵与光速有关。黑体辐射 催生了量子理论，而光速问题迎来的则是相对论。
5月 解释布朗运动（7月发表） 6月 “论运动物体的电动力
学”----狭义相对论（9月份发表） 9月 E=mc2 （11月发表）
相对论手稿
二、狭义相对论和广义相对论
狭义相对论的基本假设：
狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都 是相同的。
光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
黑体辐射公式
相对论预言了引力波存在
通识 张宇
星际穿越
《三体》是刘慈欣创作的系列长篇科幻小说，由《三体》、《三体Ⅱ·黑暗森林》、《三体Ⅲ·死神永生》组成
爱因斯坦的生平简介 狭义相对论和广义相对论 霍金的生平简介 宇宙学的一些知识
一、爱因斯坦的生平简介
26岁的爱因斯坦
1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国乌 尔姆。
2009年4月6日，霍金在白宫接受奥巴 马授予的总统自由勋章。
2014年霍金参加讲述他生平的电影 《万物理论》首映礼。
2018年3月14日凌晨3时46分报道，英 国物理学家史蒂芬·霍金去世。
霍金对黑洞的主要研究贡献：
奇性定理 面积定理 霍金辐射
对宇宙学主要研究贡献：
推翻稳恒态宇宙模型 时空隧道与时间机器 无边界宇宙
霍金和妻子简
• 投考霍伊尔研究生未果，后 跟Scianma
• 否定了霍伊尔的稳恒态宇宙
1988年，霍金出版《时间简史》 《时间简史》被译成40余种文 字，出版逾1000万册
1998年，霍金和克林顿在白宫一同观 看《星际旅行之下一代》
2006年6月18日，霍金参观天坛。霍金于19 日在人民大会堂用语音合成器以《宇宙的起 源》为题公开演讲。
麒麟座x射线新星 距离地球约3000光年，其质量大约是太阳质量的3.2-7倍之间，可能是已知离地球最近的黑洞
银河系的中心是一个超大质量的黑洞，是太阳的260万倍，直径为地球的1/10, 距离地球2.6万光年
首张黑洞照片
从2017年4月5日起， 天文学家动用了遍布全 球的8个毫米/亚毫米波 射电望远镜，组成了一 个所谓的“事件视界望 远镜”。这8座射电望 远镜连续进行了数天的 联合观测，随后又经过 2年的数据分析。在 2019年4月10日21点整 召开的全球新闻发布会 发布了黑洞照片。这颗 黑洞位于代号为M87的 星系当中，距离地球 5300万光年之遥，质量 相当于65亿颗太阳。