黑洞热力学.doc

作者:张元仲
黑洞热力学
作者:张元仲
作者:张元仲
本文发表在《物理教学探讨》2008年12月上半月第26卷总第329期第1页
相对论、引力理论和宇宙学的发展
张元仲
中科院理论物理所
十九世纪末、二十世纪初,电磁学的很多实验与牛顿理论的矛盾很尖锐。为此,物理学家意识到牛顿理论存在的问题和新理论的必然产生。1905年,爱因斯坦以狭义相对性原理和光速不变原理为基础建立了狭义相对论(四维平直时空理论),该理论以惯性系之间的洛伦兹坐标变换代替牛顿理论中的伽利略变换,因而要求一切物理定律在洛伦兹坐标变换下保持不变(即“狭义相对性原理”)。
在1905年之前,物理学理论都是以牛顿绝对时间和空间的理论为基础的。既然狭义相对论比牛顿绝对时间和空间的理论更接近物理现象中的时空结构,那么我们就必须修改这些经典物理理论使之满足狭义相对论的要求。在爱因斯坦的第一篇狭义相对论的论文中已经把
牛顿力学第二定律修改成了相对论性力学。而且还使真空中的电动力学满足了狭义相对性原理;后来,闵柯夫斯基在1908年给出了满足狭义相对性原理的运动介质中的电动力学。另方面,狭义相对论问世之前很久,用牛顿理论计算出来的水星近日点的进动数值比观测值每百年大约小43角秒,这表明牛顿万有引力定律不够精确。但是,如果仍然把时间和空间看作是平直的来修改牛顿万有引力定律的话则无法解释这43角秒。为此,爱因斯坦借助于弯曲空间的黎曼几何才得以把牛顿引力理论推广成与狭义相对论相容的广义相对论(一种弯曲时空中的引力理论)并于1916年公布。此外,后来发现在微观粒子之间还存在弱相互作用和强相互作用,与之相应的理论是相对论性的现代基本粒子理论。
狭义相对论的许多直接预言已经有了很多实验验证,例如时钟变慢效应、长度收缩效应、惯性质量与运动速度的关系、能量与质量的关系、光子无静止质量等等。更高精度的卫星检验正在计划之中。另一类证据就是现代基本物理理论的成果。即广义相对论、量子电动力学、基本粒子理论等理论的成功也是狭义相对论的证据。狭义相对论在理论上一直没有什么新的发展。
等效原理是广义相对论的二个基本假设之一,其中包含了(伽利略)弱等效原理,即引力质量与惯性质量相等;从牛顿开始直至今天已经在不同技术条件下进行了很多检验。目前的最高精度的实验表明,二个不同材料物体在引力场中自由下落的引力加速度的相对差别在到的精度上没有发现等效原理的破坏。更高精度的地面实验室实验由于技术上的困难已经很难实现了。因此,地球卫星上的等效原理实验已经准备了多年,例如法国的等效原理实验MicroSCOPE小卫星预计于2010年发射,设计精度。
广义相对论的直接实验检验也有很多,例如光频谱的引力红移、水星和其它行星近日点的进动、光线的传播方向在引力场中的偏折、雷达回波的时间延迟效应等等都被很多实验观测证实,但是在地面实验室提高精度也已经受到环境和技术条件的限制;所以人们开始设计空间的实验方案。广义相对论的另一类预言,例如中子星天体、引力透镜都已经被天文观测证实;星系核心的超重黑洞已经有了强有力的证据。
陀螺自转轴的进动: 广义相对论还预言,在卫星轨道上的陀螺自转轴的方向会相对于遥远的恒星方向产生进动。为了检验这种效应,美国于2004年4月20日发射的《引力探测器(GP-B)》卫星至今已经运行了四年多,测量数据的分析结果