《万有引力定律》课件.ppt

*************************************黑洞的引力特性极强引力场黑洞是具有极强引力场的天体，由大质量恒星坍缩形成事件视界定义了光线无法逃脱的边界，是黑洞的表面时空扭曲引力极强导致严重的时空弯曲，产生时间膨胀效应奇点理论上质量集中于中心奇点，密度和引力趋于无限大黑洞是引力学和广义相对论的极端体现。当一定质量的物质压缩到足够小的区域，引力变得如此强大，以致连光都无法逃脱。黑洞的边界称为事件视界，其半径(史瓦西半径)为Rs=2GM/c2，对于一个太阳质量的黑洞约为3千米。黑洞周围的强引力场产生显著的相对论效应：时间膨胀(靠近黑洞的时钟变慢)、光线弯曲和红移。这些效应已通过观测得到验证，如2019年首次拍摄的M87星系中央超大质量黑洞的照片，以及我们银河系中心的黑洞SgrA*的观测。这些发现证实了爱因斯坦广义相对论对极强引力场的准确预测。引力透镜效应多重像强引力透镜效应可产生同一背景源的多个像。1979年发现的双星系Q0957+561是首个确认的引力透镜系统，显示了同一类星体的两个像，相隔约6角秒。爱因斯坦环当源、透镜和观测者精确对齐时，背景光源的像会形成完美的环状结构，称为爱因斯坦环。实际观测中常见不完全对齐的弧状结构。微引力透镜恒星尺度的引力透镜效应可产生背景星光的短暂增亮。这一效应已被用于探测银河系内的暗天体和系外行星。宇宙大尺度结构中的引力作用结构形成初期宇宙早期的微小密度涨落在引力作用下逐渐增强，形成了物质分布的不均匀性，这是后来所有宇宙结构的种子。星系形成密度较高的区域引力增强，吸引更多物质聚集，最终形成星系和恒星。引力不稳定性是结构形成的关键驱动力。星系团组成星系受到相互引力作用，形成星系群和星系团。这些大尺度结构可包含数百至数千个星系，质量可达101?太阳质量。宇宙网络结构星系团进一步通过引力作用连接成超星系团和宇宙纤维，形成了类似蜂巢或海绵的大尺度宇宙结构。万有引力定律的局限性传播速度问题牛顿引力理论假设引力瞬时传播，这与相对论认为的任何信息不能超光速传播相矛盾。广义相对论预测引力以光速传播，这已被引力波观测证实。极强引力场在黑洞附近等极强引力场中，牛顿引力定律预测变得不准确。这些区域需要用广义相对论描述，后者将引力视为时空几何的弯曲。微观尺度在原子和亚原子尺度上，引力与量子力学的结合仍是未解难题。目前尚无完整的量子引力理论能够描述极小尺度上的引力行为。广义相对论对万有引力的修正时空弯曲模型1915年，爱因斯坦提出广义相对论，从根本上重新诠释了引力的本质。在这一理论中，引力不再被视为作用力，而是时空几何的弯曲。大质量物体使其周围的时空弯曲，其他物体沿着这种弯曲的时空测地线运动，表现为引力作用。爱因斯坦场方程Gμν=8πG/c?·Tμν描述了物质和能量(右侧)如何决定时空几何(左侧)。这一方程组在弱引力场极限下简化为牛顿引力定律，因此牛顿理论可看作是广义相对论的特例。实验验证广义相对论已通过多项精密观测得到验证：水星近日点进动光线经过太阳附近的弯曲引力红移引力波的探测黑洞阴影的直接成像GPS卫星的精确定位也必须考虑广义相对论效应，若忽略这些修正，位置误差将每天累积约10千米，使系统完全失效。引力波的发现理论预测1916年，爱因斯坦基于广义相对论预测引力波的存在。引力波是时空的涟漪，由加速质量产生，以光速传播。间接证据1974年，赫尔斯和泰勒发现双脉冲星PSRB1913+16的轨道周期精确按照引力波辐射预期减小，获1993年诺贝尔物理学奖。首次直接探测2015年9月14日，LIGO首次直接探测到引力波信号GW150914，源自13亿光年外两个黑洞合并事件，释放能量相当于3个太阳质量。科学成就2017年，LIGO-Virgo合作组织的基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·巴里什因引力波探测获得诺贝尔物理学奖。引力波探测器LIGO工作原理LIGO(激光干涉引力波天文台)使用激光干涉原理探测极微小的空间扭曲。两个相互垂直的4千米长臂形成L形结构，引力波通过时会以不同程度改变两臂长度，产生可探测的干涉图样变化。灵敏度惊人LIGO能探测到小至质子直径百万分之一的长度变化，相当于测量地球到比邻星距离的变化精确到人类头发宽度。为减少干扰，探测器采用复杂的隔震系统和高真空环境。全球网络目前运行的引力波探测器包括美国两个LIGO站点(路易斯安那和华盛顿州)、意大利Virgo、日本KAGRA和印度正在建设的LIGO-India。多台探测器协同工作可确定引力波源的位置，开启多信使天文学新时代。万有引力在