天天科普|广义相对论是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础

1915年爱因斯坦在狭义相对论的基础上,进一步解决了引力以及非惯性系的问题,提出了广义相对论。1917年爱因斯坦又给出了宇宙引力场方程,提出了有限无边界的四维宇宙模型。它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法溢出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象,这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论严格地考察了时间、空间,物质和运动等的基本物理概念,并且推导出了著名的质能公式,解释了宇宙膨胀的原因,是现代宇宙学的理论基础。

引力透镜:爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象,当光在星系、星系团及黑洞等具有巨大质量的天体附近经过时,会发生弯曲。根据观测的引力透镜影像,可以计算出不可见的巨大质量天体的质量,以及推算发光星系的年龄和距离。

引力时间延迟效应:当雷达信号途经一个大质量天体附近时,在观测者看来这个信号发射到指定目标以及返回的时间都要比没有大质量天体存在时所需的时间略长。与引力红移的区别在于它是引力场造成的纯粹时间延迟效应,并不改变信号的波长。

水星近日点进动:水星是太阳系中最靠近太阳的行星,其质量约等于6个月球,它的轨道偏心率是所有行星中最大的。它有一个特别明显的运动,就是水星轨道的近日点不断进动,被称为“水星近日点进动”。水星进动现象是法国天文学家勒威烈发现的。按照牛顿力学计算为38〞/百年,但是观测数值为43″/百年。长期无法解释这个数值差异的原因,直到爱因斯坦用广义相对论成功解释了这个差异。

上图展项同样为知识类展项,有广义相对论、引力透镜、引力时间延迟效应以及水星的进动等四个知识点介绍。

另外,在信息桌中间设有触摸屏,参与者移动触摸屏上的小球,将其移动到触摸屏中央正在直线传播的光线。当星球通过光线时,光线会感应到星球的引力,发生扭曲。参与者可以反复实验,从而了解引力对光线扭曲的原理。


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