物理疑难教学课件

1、1,基础物理与 宇宙学 的 疑难问题,1. 绝对参照系 2. 弯曲时空 3. 能量守恒 4. 广域参照系 5. 宇宙动力学,李惕碚,清华大学物理系、天体物理中心 中国科学院高能物理研究所,今日物理讲座 南开大学物理学院 2017.3.31,1. 绝对参照系,牛顿水桶实验 马赫与 爱因斯坦,牛顿水桶实验,牛顿 自然哲学之数学原理（1687）,除非某种力作用于运动物体上，真正的运动是既不会产生也不会改变的.绝对与相对运动效果的区别是飞离旋转轴的力。在相对转动中不存在这种力，而在绝对转动中，该力的大小并不取决于水相对于周围物体的移动，这种移动也不能说明真实的旋转运动。,马赫： 力学及其发展的批判历史

2、概论（1883）,“牛顿旋转水桶实验只是告诉我们，水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力，而这种离心力是由水对地球的质量和其它天体的相对转动产生的。”,马赫 与 爱因斯坦,“绝对空间和绝对运动是纯粹的心智构造，无法在经验中产生。”,马赫原理：加速度是相对的，一切物体的惯性效应来自 宇宙空间物质作相对加速运动时的引力作用,“您对力学基础有益的研究，将得到卓越的确证.惯性起源于某种相互作用，与您关于水桶实验的考虑完全符合。 ” 致马赫（1913.6.25）,爱因斯坦：,相对论原理和真空光速不变使“引进传光的以太被证明 是多余的 不需要具有特殊性质的绝对静止空间，也不需要给电磁过程发生的真空点赋予一

3、个速度向量。” 运动物体的电动力学（1905）,爱因斯坦：,“我们应该不再提及马赫原理” 致 Pirani（1954.2.2）,“迄今没有发现任何可避开惯性系的方法,除非借助于（统一）场论 的方法。” （1953）,“惯性是物质之间的相互作用，不是涉及空间自身的一种效应” 致Schwarzshild（1916. 1. 9）,“引力场方程避免了惯性系 一种作用于任何事物 但事物不作用于它的幽灵” 致 Bohn （1952.5.12）,2. 弯曲时空,物理学的几何方法：弯曲位形空间 引力场的局域性 引力波,引力波,费马原理：短程线,位势,力线,场的几何表述, 2, 2 = 4,“等效原理”,物理学

4、的几何方法：弯曲的位形空间,最小作用量原理,运动方程 作用量 .,物理规律： 微分形式 积分形式 。, d=0,力学的几何化,分析力学：力场 度规（位形空间 configuration space） 轨迹 位形空间短程线,Hertz: The Principle of Mechanics 位形空间是由势能与约束方程增添了自由度的空间， 弯曲的位形空间中力学体系为无势系统,沿短程线惯性运动。,弯曲空间 物质,弯曲的位形空间 物质 弯曲空间,牛顿：,爱因斯坦：,等效原理使GR能声称弯曲的是空间自身？ 但是牛顿力学也遵从等效原理！,分析力学：力场 度规（位形空间 configuration spac

5、e） 轨迹 位形空间短程线,Hertz: The Principle of Mechanics 位形空间是由势能与约束方程增添了自由度的空间， 弯曲的位形空间中力学体系为无势系统,沿短程线惯性运动。,（1）用经典分析力学的最小作用量原理可以导出GR场方程, d=0,位形空间啊,物质,GR理论中的“弯曲空间”也是位形空间：,“方程协变性本身不表示任何物理定律。例如第二类拉格朗日方程对任意坐标变换都是协变的，即牛顿力学也可以有广义相对性”,福克: 空间，时间和引力的理论,位形空间 = 位形+空间 空间,（2）等效原理（广义协变性）不能成为时空弯曲的原因,牛顿力学也包含等效原理,运动、磁性引力 （几

6、何化）,强场、非线性自引力 （几何化）,静态弱场,弱场,静态,等效原理 能量守恒,（3）GR只是比经典力学的位形空间包含了更多的物理过程,弯曲的位形空间是物理过程的几何表述，并非作为位置参照系的空间本身。经典分析力学和广义相对论都是基于物理规律（守恒律等）构造位形空间，在其中粒子作惯性运动（短程线），只不过广义相对论的位形空间包含了更多的局域物理过程，有更强的局域性。,Minsner, Thorne an uncharged non-relativistic particle does not sense the wave. In a gravitational field, the opti

7、cal length of the interometer arm is changed .,引力波 = 局域辐射位形时空涟漪 实物变形,宇宙膨胀 = 时空（坐标系）膨胀 实物膨胀,引力波探测,一个引力系统的GR度规场，在该系统内是质点 的位形时空，在系统外至视界间的区域内是辐射的位形时空。,3. 能量守恒,宇宙辐射能丢失 宇宙学常数,t T,（1）脱耦CMB能量丢失问题,宇宙辐射能丢失,“ The resolution of this apparent paradox is that while energy conservation is a good local concept and

8、can be defined more generally in the special case of an isolated system in asymptotically flat space, there is not a general global energy conservation law in general relativity theory.,Peebles P.J.E. Principle of Physical Cosmology pp. 131-139 Blackbody Radiation in Expanding Universe Princeton U P

9、ress, 1993,（2）早期宇宙辐射能丢失问题,衰变 玻尔： 泡利（1930）：中微子假说 费米（1933）：弱相互作用理论Reines 等 （1956）：探测中微子,宇宙辐射能 标准宇宙学：,“在目前的原子理论中，无论是从经验还是理论上都没有理由坚持在衰变过程中能量一定守恒”,“There is not a general global nergy conservation law in GR theory.,Peebles P.J.E. Principle of Physical Cosmology,热引力辐射声子,光子 引力声子,DM+DE,能量守恒：,与新能量,过增元 力学系工程热

10、物理研究所 2011/05/19(李惕碚办公室),热学的另一半,I respectfully suggest that you publish a revision (reevaluation) of what you just published. Anything less will guarantee that your publication is cited as worthless in the permanent literature, and your university president will be informed about it. (2014),过增元问题:,在

11、热耗散过程中，热质能到哪里去了？,It is now an open scandal in thermal sciences. It is a Chinese scandal.,过增元等, 声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程, 物理学报，56，3306 (2007),CDM:,宇宙学常数,“常说世间不存在免费午餐。但是， 宇宙却是最为丰盛的免费午餐。”, Guth Hawking：宇宙的起源与归宿,“子不语乱力怪神”,论语述而,弗里德曼方程,最一般的广义协变二阶张量, = +b + ,比安基恒等式, ; =0,诺特定理 时间平移不变对应于能量守恒,宇宙学常数项满足广义协变条件，却不遵从能量

12、守恒！,4. 广域参照系,爱因斯坦的认识 宇宙参照系 真空的性质,毕生受马赫思想影响的爱因斯坦“否认任何优越座标系存在对研究空间性质的定域方法评价过高，低估了研究空间整体的重要性。” 福克：空间、时间和引力的理论,爱因斯坦对绝对空间（绝对静止系、以太）的认识：,“您对力学基础有益的研究，将得到卓越的确证.惯性起源于某种相互作用，与您关于水桶实验的考虑完全符合。 ” 致马赫（1913.6.25）,相对论原理和真空光速不变使“引进传光的以太被证明是多余的 不需要具有特殊性质的绝对静止空间，也不需要给电磁过程发生的真空点赋予一个速度向量。” 、 运动物体的电动力学（1905）,爱因斯坦：,“惯性是物

13、质之间的相互作用，不是涉及空间自身的一种效应。空间本身是不具有独立特性的。 倘若宇宙里的一切东西通通消失了，按牛顿理论会有伽利略惯性空间留下来。按我的观点，却是什么都没有了。” 致Schwarzshild（1916. 1. 9）,“我研究过引力波的问题 我向您承认，广义相对论比狭义相对论更接近于以太假说。 这个 以太的状态是一个取决于物质过程位置的函数。” 致Lorentz（1916. 6. 17）,“我们应该不再提及马赫原理” 致 Pirani（1954.2.2）,“迄今没有发现任何可避开惯性系的方法,除非借助于（统一）场论的方法。” （1953）,(为解释旋转和惯性）“依照广义相对论，空间

14、已经被赋予了物理性质 没有以太的空间是不可思议的：光不能传播，空间和时间的标准也不可能存在，也就没有任何物理意义上的时空间隔。” 以太和相对论（1920）,“引力场方程避免了惯性系 一种作用于任何事物但事物不作用于它的幽灵” 致 Bohn （1952.5.12）,40,绝对运动,宇宙参照系,绝对参照系已经是一个观测事实 !,CMB 温度 四极矩,WMAP Liu & Li WMAPLiu & Li,41,由于探测器对于背景参照系绝对运动效应 未准确扣除，导致出现虚假的 CMB四极矩,42,4% Visible Matter,23% Dark Matter,73% Dark Energy,27%

15、 Dark Matter,5% Visible Matter,68% Dark Energy,中国天文学会学术年会 河南开封 2009. 10. 17,由于探测器对于背景参照系绝对运动效应未准确扣除，导致WMAP精确宇宙学结果出现严重系统误差,Planck 卫星 （2009.5 ）,2013 发布宇宙探测结果,44,45,27% Dark Matter,5% Visible Matter,68% Dark Energy,Planck 2013.3.21,Liu & Li 2009.7.16,真空的性质,电磁波和引力波的传播介质 中性 （电中性、引力中性） 均匀、各向同性 热平衡 平坦 广域 演

16、化 当下能量密度, 10 29 g cm 3,倘若宇宙里的一切东西通通消失了，按牛顿理论会有惯性空间留下来。按我的观点，却是什么都没有了。 爱因斯坦,47,均匀、各向同性,热平衡,凝聚态,欧氏空间,均匀宇宙存在绝对时间,“ 在广义相对论中给定瞬时可精确地翻译为给定的类空超曲面。.宇宙的均匀性意味着在宇宙的每一事件处有一 类空的均匀超曲面通过，其上的每一事件处的物理状况等同。”, Minsni C. Thorne K. Wheeler J. Gravitation27.3,广域,平坦,极稳定的极早期宇宙,不存在量子涨落？,四极矩缺失,宇宙学原理、“幽灵” 惯性系疑难、平坦、奇点、夜黑和引力佯谬

17、黑体谱、四极矩疑难 暴胀、加速、宇宙学常数问题、大数疑难、 精细调节问题、宇宙学原理 大尺度反常、小尺度问题、 电磁波和引力波（局域）、热引力辐射（广域） 凝聚、相变、波动、纠缠,真空：中性、连续、均匀和热平衡的凝聚介质,均匀能量密度介质 引力中性 凝聚（耦合）、热平衡 相变 连续 广域,5. 宇宙动力学,三种动力学 大尺度反常与 小尺度问题 局域宇宙论 中性真空 （1）常态匀速膨胀 （2）相变,连续 真空 离散 质点 粒子（质子） 连续 暗物质晕, ,1,10 44,10 5,真空动力学,质点动力学,三种动力学,连续晕动力学,（1）大尺度反常,大尺度反常与 小尺度问题,WMAP Liu & Li,（2）小尺度 (暗物质）问题,研究揭示早期宇宙暗物质不足,中国科学报 (2017-03-16),arXiv: 1703.05491,（1）GR: 标准宇宙模型 CDM（ + 冷暗物质粒子）,局域宇宙论,质点动力学 能量守恒,（2）常曲率时空相对论：德西特宇宙（ + c ),真空动力学 惯性系 能量守恒,陆启铿、邹振隆、郭汉英 （1974）,60,中性真空,机械能守恒,总惯性质量, = + ,引力质量（中性真空无力场）,动能,势能,（1）常态匀速膨胀,= , = (+)