幻灯片 1

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萧门郸
5 years ago
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1 广义相对论黑洞和引力波蔡荣根中国科学院理论物理研究所

2 20 世纪 : 物理学的世纪现代物理学大厦的二大支柱 : 1) 量子力学 2) 相对论 20 世纪物理学的二大成就! 21 世纪 : 什么学的世纪?

3 Perlmutter Schmidt Riess 2017 年诺贝尔物理奖 : 引力波的发现, 黑洞并合 Weiss Barish Thorne 2015 年的诺贝物理奖 : 中微子振荡 2013 年的诺贝物理奖 :Higgs 粒子 2011 年诺贝尔物理奖 : 宇宙加速膨胀 2008 年诺贝尔物理奖 : 对称破缺, 三代夸克 2006 年诺贝尔物理奖 :CMB 各向异性 2004 年诺贝尔物理奖 :QCD 渐近自由

4 2016 年的大事 : 第一次直接探测到引力波! 我们探测到了引力波

5 LIGO( 激光干涉引力波天文台 ) Hanford 臂长 :4 公里 GW Hanford Observatory MIT Livingston Caltech Livingston Observatory

6 数值相对论

7 GW150914: 重要意义 : 1) 第一次直接探测到了引力波 2) 第一次观测到了黑洞并合事件 ( 黑洞的存在性, 成对 )

8 广义相对论的二个重要预言 : 1) 黑洞 2) 引力波黑洞提供了引力理论强场检验的独特场所! GW150914

9 引力波探测新常态 GW170817: 二个中子星的并合 (2017 年最大的科学进展 )

10 : Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics E. Witten:This amazing achievement lets us observe for the first time some of the remarkable workings of Einstein s theory. Theoretical ideas about black holes which were close to being science fiction when I was a student are now reality. S. Hawking: This discovery has huge significance: firstly, as evidence for general relativity and its predictions of black hole interactions, and secondly as the beginning of a new astronomy that will reveal the universe : through 2016a Gruber different Cosmology medium. The Prize LIGO team richly deserves the Special Breakthrough Prize. 邵逸夫奖卡弗理奖诺贝尔奖 (2017) 复旦中植奖

11 2017 年诺贝尔物理奖 : 引力波的发现, 黑洞并合 Weiss Barish Thorne 2015 年 5 月纪念爱因斯坦广义相对论 100 周年 - 国际引力与宇宙学会议暨第四届伽利略 - 徐光启会议

12 2017 年 12 月诺贝尔物理学奖得主 Kip S. Thorne 教授来访并在彭桓武前沿科学论坛上作报告印度古阿, 2012

13 时空穿越和星际旅行

14 为什么引力波的探测是重要的, 如此激动人心的? 自然界有四种基本相互作用强相互作用, 弱相互作用和电磁相互作用粒子物理标准模型引力相互作用标准宇宙学模型

15 引力 : 无处不在 1687: 万有引力定律 :

16 正如爱因斯坦所预期的, 广义相对论是非常成功的理论 1) 水星进动, 光线弯曲, 引力红移,Shaprio 时间延迟 2) 脉冲双星, 引力波 3) 和谐宇宙模型时空奇异性, 量子理论

17 引力的本质仍是一个迷惑, 仍是现代物理的基本问题之一! What is the nature of gravity? It clashes with quantum theory. It doesn't fit in the Standard Model. Nobody has spotted the particle that is responsible for it. Newton's apple contained a whole can of worms. 其他问题 : 宇宙的唯一性, 暴胀, 黑洞, 时间

18 引力的本质 : 21 世纪基础物理的最重要科学问题之一! 美国国家研究委员会由 19 名权威物理学家和天文学家联合执笔的 2002 年的报告中列出了新世纪要解答的 11 个科学问题 :

广义相对论 ( 引力 ) 是关于时间和空间的理论 Saint Aurelius Augustinus 354 430 What is time?

19 广义相对论 ( 引力 ) 是关于时间和空间的理论 Saint Aurelius Augustinus What is time? 时间是什么? 如没人问我, 我很清楚如有人问我, 我便茫然! The same question holds for space! 如果有兴趣

20 从牛顿引力到广义相对论 : m 假如 M 随时间变化 M r 牛顿引力与狭义相对论不自恰

21 爱因斯坦的二点考虑 : 1) 引力的普适性 ( 等价性原理 ): 自由落体的运动轨迹完全不依赖于物体的成分, 非常类似与在狭义相对论中物体的运动轨迹不依赖于物体成分这建议了引力可以用时空来描述狭义相对论时空 : 平坦的闵氏时空

22 2) 马赫原理 : 物体的惯性运动是由于宇宙中的所有物质所引起的但是在狭义相对论中, 时空是给定的, 时空中的物质不会改变时空结构马赫和许多哲学家和学者对这点非常不满意爱因斯坦接受了马赫的观点 : 时空中的物质会影响时空结构

(1908.1.22-1968.4.1) 爱因斯坦引力场方程 (1915): 给出了时空几何与其中物质的关系!

23 ( ) 爱因斯坦引力场方程 (1915): 给出了时空几何与其中物质的关系! 广义相对论是关于时间, 空间和引力的理论引力 = 弯曲时空 L.D. Landau: 可能是最漂亮的理论

广义相对论的经典实验检验 1) 水星轨道近日点的进动 Sources of the precession of perihelion for Mercury Amount (arcsec/julian century) Cause 531.63 ±0.

24 广义相对论的经典实验检验 1) 水星轨道近日点的进动 Sources of the precession of perihelion for Mercury Amount (arcsec/julian century) Cause ±0.69 [4] Gravitational tugs of the other planets Oblateness of the Sun (quadrupole momen) ±0.04 [5] General relativity ±0.69 Total ±0.65 [4] Observed

have been if general relativity had not been confirmed by Eddington and Dyson in 1919, Einstein

25 2) 光线在太阳附近的偏折 One of Eddington s photographs of the solar eclipse of 29 may 1919, published in 1920 Arthur Stanley Eddington ( ) When asked by his assistant what his reaction would have been if general relativity had not been confirmed by Eddington and Dyson in 1919, Einstein famously made the quip: "Then I would feel sorry for the dear Lord. The theory is correct anyway."

26 3) 光线的引力红移 The gravitational redshift of a light wave as it moves upwards against a gravitational field (caused by the yellow star below). It was only conclusively tested when the Pound-Rebka experiment in 1959 measured the relative redshift of two sources situated at the top and bottom of Harvard University Jefferson tower using an extremely sensitive phenomenon called the Mössbauer effect.

27 4) Shaprio time delay Proposed in 1964 and tested in 1966 & ms!

28 广义相对论的二大预言 : 引力波 & 黑洞

29 广义相对论的预言之一 : 黑洞的存在性第一个黑洞解 :Schwarzschild 黑洞真空的爱因斯坦场方程的精确解, 描写一个天体的引力场当这一天体的半径 <2GM, 它就是一个黑洞 J. Wheeler, 1968 (K. Schwarzschild, )

30 黑洞是什么? 无毛定理 ( 唯一性定理 ) Kerr-Newman 黑洞视界 M, J, Q 天体环境中的黑洞 : 克尔黑洞 :M, J

31 引力塌缩和致密星天体质量半径表面引力太阳 ^(-6) 白矮星 < ^(-2) 10^(-4) 中子星 ^(-5) 10^(-1) 黑洞 > 3 2GM/c^2 1 太阳 :3km, 地球 :5mm ( 钱德拉塞卡, ) (1983)

32 每个星系中心都存在一个黑洞, 银河系中的黑洞倍的太阳质量, 离太阳系光年看黑洞? Event Horizon Telescope (2017.4)

33 黑洞的大小和质量 : 黑洞的半径和质量关系 : R=2GM/c^2 1) 恒星质量的黑洞 : (>3~300) M_sun 2) 中等质量黑洞 : (10^3-10^4)M_sun 3) 超大质量黑洞 : 10^6~10^(10) M_sun 3) 原初黑洞 : 普朗克长度 l_p =1.6 x 10^(-35)m 普朗克质量 m_p= 2.18 x 10(-8)kg

34 在实验室中制造一个黑洞? 普朗克质量的黑洞 ~ 1.22 x 10^(19) Gev

35 LHC & 黑洞 Lisa Randall

36 Phys. Lett. B 697 (2011) 434 LHC 合作组正试图从 LHC 实验中寻找此类黑洞!

37 Black hole is a window to quantum gravity Thermodynamics of black hole: (S.Hawking, 1974, J. Bekenstein, 1973)

38 在表面面积为 A 的引力体系中,S<A/4G (L. Susskind) (G. t Hooft )

39 全息原理在弦论中的实现 (1997): 在反德西特时空 ( 带一个紧致空间 ) 上的超弦理论 ( 或 M 理论 ) 等价 ( 对偶 ) 于在这个反德西特时空边界上的一个共形场论典型例子 : IIB superstring theory on AdS5 x S 5 N=4 SYM Theory (J. Maldacena)

40 AdS/CFT correspondence: Real conceptual change in our thinking about Gravity. (E. Witten, Science 285 (1999) 512)

41 引力全息性质 : 1) 引力的本质 2) 重要的方法 IIB superstring theory on AdS5 x S 5 N=4 SYM Theory 低能 QCD, 高温超导

42 引力波 : 广义相对论的另一大预言 ( 爱因斯坦,1916) 时空的度规 : 弱引力场, 引力场方程领头阶解 :

43 Binary pulsar GW emission rate P B P GR =1.0013± Hulse-Taylor binary (B ) - orbital change due to GW emission (1979) - periastron time shift perfect match with GR predictions , Nobel Prize

44 引力波的物理效应 : 1) 当引力波通过时, 会改变二个临近物体的间距 2) 广义相对论的引力波有二个极化 : 3) 改变的间距有引力波的振幅的决定 :h=δl/l 探测引力波

45 Weber s detector (1960s) diameter: 66 cm, length: 153cm, weight: 3 tons

46 Weiss and Drever (1970s)

47 阿里 FAST 太极 & 天琴

48 引力波物理 : 引力的基本性质, 宇宙的起源和演化, 基础物理学规律, 宇宙大尺度结构的形成与演化暗物质和暗能量, 数值相对论. 引力波波源 : 极端条件下 ( 高温, 高密, 强磁场 ) 物理现象和物质性质的宇宙实验室引力波波源 : 宇宙学的和相对论天体物理过程的超越粒子物理标准模型的新物理 LHC 原初引力波暴涨宇宙学大统一模型引力波携带着自宇宙创生以来所有宇宙演化过程的信息

49 aligo, 引力波地面探测项目 CE? ET?

50 LISA Pathfinder, 引力波空间探测计划天琴, 太极,BBO

51 国内 : 太极计划和天琴计划 Taiji/LISA at ISGW2017, 共同期望 : 以中欧联合模式发射二组探测卫星在科学目标各自有所侧重的同时, 进行相互验证

2016.5.2: Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics E.

52 : Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics E. Witten:This amazing achievement lets us observe for the first time some of the remarkable workings of Einstein s theory. Theoretical ideas about black holes which were close to being science fiction when I was a student are now reality. S. Hawking: This discovery has huge significance: firstly, as evidence for general relativity and its predictions of black hole interactions, and secondly as the beginning of a new astronomy that will reveal the universe : through 2016a Gruber different Cosmology medium. The Prize LIGO team richly deserves the Special Breakthrough Prize. 邵逸夫奖! 卡夫理奖! 诺贝尔奖?

53 地面 : 阿里项目 BICEP.. (NASA)

54 我们的宇宙 : 和谐宇宙模型 : 暴胀热大爆炸模型暗物质暗能量 (A.Guth, 1981) 5% 27% 68% 挑战 : 暴胀模型? 暗物质? 暗能量? 广义相对论? 宇宙的探针 : 电磁辐射, 中微子, 宇宙线, 引力波多信使天文学

55 现代宇宙学中的大问题 : 暴胀, 暗物质, 暗能量, 引力波引起的一些重要基础物理问题 i) 除了四种基本相互作用, 是否还存在其他力? ii) 什么决定了自然的基本常数? iii) 时空的基本结构, 引力的本质? iv) 存在外维度吗? v) 是否存在粒子物理标准模型外的粒子? 这些问题必须通过实验观测来回答

56 宇宙有中大量秘密有待我们去揭示引力波开启了一个新时代!

57 谢谢!

58 宇宙起源及演化生命起源物质世界最基本组分及其相互作用自然界基本的科学问题什么是暗物质暗能量? 宇宙是如何开始的? 引力如何量子化? 质子不稳定吗? 是否存在额外的时空维度? 四种相互作用力的大统一 / 超对称?

60 大学二年级的物理 :19 世纪末的物理力学, 热学, 电磁学, 光学 Lord Kelvin 1900 年初, 当时在英国物理学界最权威的汤姆逊在皇家学会的新年致辞中, 发表了题为笼罩在热和光的物理理论上的十九世纪之乌云他认为物理世界晴空万里, 物理理论可以解释一切物理问题 ; 唯有两个小问题有待解决 : 以太理论和黑体辐射的理论解释 (William Thomson) ( )

61 物理学晴朗的天空上飘着二片乌云 (1) 迈克耳逊 - 莫雷实验与以太说的破灭 (2) 黑体辐射与紫外灾难

62 另一个事例 : LVT151012

63 引力波理论模型起到重要作用!

64 20 世纪 : 物理学的世纪现代物理学大厦的二大支柱 (20 世纪的二大成就 ) 1) 量子力学 2) 相对论狭义相对论的二大原理 : 光速不变原理 & 相对性原理狭义相对论广义相对论广义相对论量子力学 = 量子引力理论? 21 世纪 : 什么的世纪?

65 引力的全息性质 (Holography): 引力体系的自由度就象分布在这一体系的表面上一样或者说人们可以用这一引力体系的表面自由度来描述整个引力体系一个 D 维包含引力的理论 === 一个 (D-1) 维不包含引力的理论

穨blackhole_talk2.PDF

穨blackhole_talk2.PDF 004 5 1 6 3 Carl Sagan Contact[1] 1 [] 004 1 Laplace Karl Schwarzschild J Robert Oppenheimer Roger Penrose Roy Kerr Stephen Hawking 1915 universal gravitation 004 M R 3 f E = hf E = mc E m = = c hf c m