「證明」太陽對光線的引力偏轉的證明

2020-12-04 老胡說科學

《廣義相對論》(發表於1915年),阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論被許多科學家認為可能是「所有現存物理理論中最美麗的」。

在這篇文章中,我將描述廣義相對論的一個經典測試,最著名的一個是光被太陽彎曲,如圖1所示。

圖1:太陽(光源)對光線的彎曲結果表明,淨偏轉角有一個非常簡單的表達式:

方程1:掠過太陽的光子的淨偏轉其中M為太陽質量,b為影響參數(見圖2)。

圖2:影響參數b光彎曲的一種表現形式被稱為引力透鏡,它目前被天文學家用作一種重要的測量工具(見圖3)。

圖3:愛因斯坦十字,我們看到了四張同樣遙遠的類星體的圖片,這是強引力透鏡作用的結果。史瓦西解及其測地線

史瓦西度規:g是由太陽產生的時空扭曲引起的太陽系度規。它有以下行元素:

方程2:史瓦西解的線元,太陽產生的時空曲率畸變引起的太陽系度規。球坐標中使用的坐標度量(r,θ,φ),如圖4所示。

圖4:球坐標r(徑向距離),θ(極角)和(方位角)由於我們的目標是導出等式。如圖1所示,我們首先需要獲得光子φr)軌跡的表達式,其中φ是方位角,r是半徑坐標。讓我們開始計算通過太陽重力場的光子動量分量。

給定時空中沿測地線運動的粒子的守恆量與相應的度量張量g的對稱性之間存在對應關係。由於史瓦西解既具有球對稱性又具有時間平移不變性,所以被測粒子的能量和角動量都是守恆的。這可以從數學上看,把測地線方程改寫成粒子如下:

方程3:測地線方程,用動量p和g的導數來表示。有了這個符號,就很容易看出動量守恆和相關時空的對稱性之間的對應關係。現在,光子在零測地線,這意味著一定參數λ仿射參數不同於適當的時間τ。因為史瓦西度規遵循以下條件

方程4:史瓦西度規的兩個常數分量。方程3為我們提供了下列守恆量

方程5:兩個運動常數是由度規張量分量的相應導數消失而得到的。注意,球形對稱意味著運動發生在平面上,我們可以選擇θ=π/ 2(這意味著dθ/ dλ= 0)。

光子

由於我們的目標是專門研究光線的彎曲,從現在開始,只考慮光子的運動(本文將討論大量的粒子)。

方程5中的兩個運動常數分別是能量和角動量:

方程6:運動E和L的兩個常數分別是能量和角動量。負號是牛頓能量概念在低速狀態下恢復所需要的。

光子動量p的三個相關分量的顯式表達式很容易用度規的史瓦西分量和公式6計算出來:

方程7:光子動量分量的顯式表達式。現在我們把這三個分量代入|p|=m=0 並求解(dr/)^2得到:

方程8:光子的軌道方程的仿射參數λ我們可以重寫這個方程,定義一個「有效勢」,由:

方程9:光子的「有效勢」。有效電勢如圖5所示。圖中顯示了重要的元素,如轉折點(dr/dλ=0),禁止區域( E < V)和圓形軌道(dV/dr=0)。

圖5:光子的有效勢光的引力彎曲

回想一下,我們這裡的目標是獲得穿過太陽重力場的光子的φr)。只需將動量的φ分量(角動量)除以等式的平方根即可輕鬆實現。

方程10:光子的軌道微分方程φ(r)正如我們在介紹中定義的,參數b是影響參數。在牛頓力學中,很明顯,b是徑向距離r的最小值(無偏轉時)。因此,與沿徑向運動的平行軌跡相比,b是光子軌跡的「偏移量」。

與牛頓的情況一樣,在數學上使用新變量u≡1/r是方便的。則式10為:

方程11:光子在新變量u下的軌道現在我們考慮M/r< 1或者u< 1/M的極限。事後我們定義了以下輔助變量y:

方程12:新變量y的定義最後一步是解方程11。我們終於得到:

方程13:光子的軌跡方程的解dφ/ dy。光子的偏轉如下所示:

圖6:光子穿過太陽重力場時的軌跡彎曲快速計算表明,淨撓度確實由式(1)給出:

式14:光子經過太陽附近後的淨偏轉,與式(1)相同。

圖7:著名的英國天文學家、物理學家和數學家愛丁頓第一次證實了愛因斯坦的預測。把太陽的質量代入,用太陽的半徑作為影響參數b,我們得到的最大撓度大約等於1.75」。1919年,由著名的英國天文學家、物理學家和數學家亞瑟·愛丁頓領導的英國團隊進行了一次著名的實驗,首次證實了這一結果。

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