理论教育 日地空间中的引力场和宇宙空间中的影响

日地空间中的引力场和宇宙空间中的影响

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:日地空间中引力场对光速的影响可以忽略,宇宙空间中的引力对光速的影响更小。因此,在一般情况下仅白矮星、中子星和黑洞表面附近的空间性质可以视为引力场空间。如果以10倍太阳质量为黑洞质量,则在距离黑洞中心10倍太阳半径的地方是欧氏空间和引力场空间的分水岭。

日地空间中的引力场和宇宙空间中的影响

根据公式太阳表面的值为βr=1.000000000009=1+9×10-12,太阳表面的光速和光子速度均为3.000000000027×108m,仅比欧氏空间中的光速快0.0027m;地球表面的β值小于1+10-18。因此,在地球表面的光速与引力为零时的欧氏空间可以认为完全一样。现在我们分析日地距离。如果光在日地之间运行的速度都是太阳表面的光速3.000000000027×108m,太阳光从太阳表面运行到地球表面需要500s。由此得到日地距离为:R=3.000000000027×108×500=1.5×1011+1.35(m)。如果光在日地之间运行的速度都是地球表面的光速3.0×108m,太阳光从太阳表面运行到地球表面需要500s。由此得到日地距离为:R′=1.5×1011(m)。两种结果仅相差1.35m,相对误差小于10-11。如果按照实际的C值计算,其误差更小。这个精度不但在天文学中达不到,在其他测量中一般也达不到。第十一章已经分析了在太阳表面附近空间光线弯曲可以达到的最大值为1.75″,一般情况下,光线在太阳系中产生的弯曲均小于这个值。再有,太阳引力场的最大拉距仅6.255mm(见第十一章第三节)。就是星光掠过太阳表面时,与没有太阳引力场时相比较,仅偏离原来的轨迹6mm多一点,这实际上也是在无限远距离偏离的长度。这说明,光线在太阳的引力场中产生的绝对弯曲和相对弯曲都非常小。

综合上述两个方面的情况,可以得到一个结论:太阳引力场对光速的影响非常小。太阳引力场对时空性质的影响非常小,在一般情况下可以忽略。太阳表面以外的空间符合欧氏空间的定义,即太阳表面以外的空间在一般情况下可以认为是欧氏空间。这个结论有没有代表性,有没有普遍意义呢?

现在分析一下日地范围内的物质密度,代入有关数据,日地范围内物质的平均密度

我们可以在网上查得宇宙的总质量,含暗物质据估算约为1.513×1057g,这是可以查到的最大值。宇宙直径为150亿~200亿光年,按150亿光年计算,宇宙的平均物质密度为:=8.562×10-22(g/m3)。这个宇宙的平均物质密度是最大估算值,和日地范围内物质的平均密度相比,相差21个数量级。根据观测,目前宇宙中可以看见的物质密度约为10-25g/m3;即使加上暗物质,其密度也不会超过目前宇宙的临界密度3×10-23g/m3。日地之间的物质平均密度有很重要的代表性,首先它和宇宙的平均物质密度相差很大;其次太阳属于赫罗图中的主序星,且属于中等大小的恒星。宇宙空间的平均物质密度远达不到日地空间的平均物质密度。日地空间中引力场对光速的影响可以忽略,宇宙空间中的引力对光速的影响更小。因此,宇宙中绝大部分空间都可以视为欧氏空间。因此,在一般情况下仅白矮星、中子星和黑洞表面附近的空间性质可以视为引力场空间。那么,距离白矮星、中子星和黑洞多远才是欧氏空间呢?如果以太阳表面的引力场相对强度作为欧氏空间和引力场空间的分水岭,只要白矮星、中子星和黑洞表面的附近空间中,某一位置的引力场相对强度小于太阳表面的引力场相对强度,该位置以外的空间就是欧氏空间,该位置以内的空间就是引力场空间。

设M为某引力场中心天体的质量,R为该引力场与太阳表面的引力场相对强度相等的位置,Ms为太阳的质量,r为太阳半径。有(www.daowen.com)

(14-1)式说明R和太阳半径成正比,和中心天体与太阳的相对质量成正比。

根据现行理论,中子星的质量上限为太阳质量的2倍。在距离中子星中心两倍太阳半径处,即约1.39×106km的地方是欧氏空间和引力场空间的分水岭。白矮星的质量上限为太阳质量的1.44倍。在距离白矮星中心1.44倍太阳半径处,即约1.00×106km的地方是欧氏空间和引力场空间的分水岭。如果以10倍太阳质量为黑洞质量,则在距离黑洞中心10倍太阳半径的地方是欧氏空间和引力场空间的分水岭。

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