回复:看样子没出错.再试一次,没办法,本将军属现代文盲.
1.3 量子场论导出广义相对论度规
E0
应用真空极化压力公式(6)到光子有:m A=— , v = c 。
c2
当光子A从远处径向地射向质奌B附近(A到B最短距离为R),
v r r v
r是从B指向A 有: —=-— ,从而(—+ —)=0 ,使得
c r r c
(6)式中f =0 ,
E I n = E 0 +∫∞R f·d r = E 0
v r r v
当光子从B附近再返回远处时有 — =— ,从而( —+ —)
c r r c
r r
=2 — ,令m B=M ,(6)式中 f =-2 Э m A M ———
r r 3
M
E o u t = E0+∫R∞ f·d r = E 0 -2 Э m A ————
R
2ЭM
=E0(1-———)
c2R
式中,R是光子对质点B的最短距离。
由此可见: E I n ≠ E o u t 。对离质点B无穷远的观察者来说,只知道射入引力场中的光子返回时减小了能量,无法区分是进入引力场时减小的还是从引力场出来时减小的,或者按通常的想法也许是进入引力场和从引力场出来两过程减小的能量相同。在相对论中能量-动量四维矢量的间隔平方(E 2-P 2c2)才是守恒量,单独的能量E并不是守恒量,因此观察者只关心他观察到的光子在引力场中的能量平方E 2的减小。当观察者不知道进入引力场和从引力场出来两个过程能量的减小是否一样时,最保险的方法是令E 2 =E I n E o u t 。不管进入引力场跟从引力场出来两过程减小的能量相同还是不相同,这个等式 都是正确的,即:
2ЭM
E 2 =E I n E o u t = E02 (1-————) (7)
c2 R
根据E=hυ和E 0 =hυ0,由式(7)光子在质量 M附近的频率υ(或周期Υ)将不同于无穷远处的频率υ0(或周期Υ0)
υ 2ЭM
则:—— =(1-————)1/2
υ0 c2R
Υ 2ЭM
—— =(1-————)-1/2
Υ0 c2R
在远离质量M的真空中,光子不受净力作用,其能量与动量守恒,光的频率υ0与波长λ0保持不变。基于特定的激光的频率和波长的稳定性和可重复性,现代的时间单位(s)和长度单位(m)被定义为特定激光的N个周期Υ0和n个波长λ0 。再由光波的可传递性,原则上可以用一光束的周期Υ0与波长λ0校准平直的Minkovski(闵可夫斯基)空间中各地的钟的速率和尺的长度。若认为光朿在质量附近的光波周期Υ跟远处的光波周期Υ0是一样的,则可以用光束将M附近的钟的速率校准得与远处的钟的速率一致。理论上校准不同地奌的钟的速率的方法是:在A和B两地均置一钟摆以及光的发射与接收装置,一连续光波从A发出,由B接收,同步于A处的钟来回摆动一次(1s)的起始时刻和返回起始点时刻各发一光脉冲,两脉冲之间的时间τA(1s)内A发出的光波周期数为NA个,τA=N AΥA 。B处的钟摆在接收到第一个起始脉冲时开始摆动,当接收到第二个脉冲时若摆正好返回出发点,则根据光速的恒定不变性,B处的钟的速率τB(1s)就被校准到跟A处的钟的速率τA相一致了,即τB=τA 。只要B处的钟可调节,总可校准到钟速一致。
若A和B两地的光波周期相同,即ΥB =ΥA ,则校准后B处钟的单位时间τB(1s)内的光波周期数N B与A处钟的单位时间τA(1s)内的光波周期数N A相同,即N B=N A 。实际上在质量附近的光波周期比远处的光波周期更长:Υ=ΥB>ΥA=Υ0 ,从而导致质量附近钟的1s(τ=τB)内的光波周期数少于远处钟的1s(τ0=τA)内的光波周期数:N=N B<N A=N 0 。A和B两处钟的1秒被校准得相同(τ=τ B=τA=τ0)是由光速保恒原理保证的,B处有无质量光速保恒均成立,因此质量附近钟的1秒确实等于远处的1秒:τ=τ0 。但是从单位时间(s)的物理定义(特定激光的周期数)的意义上来看,校钟把质量附近的时间单位τ(s)校小了(包含的特定激光周期数更少了):
τ N Υ0 2ЭM
——=——=——=(1-———)1/2
τ0 N 0 Υ c2R
或者说 ,本来是能量变化使周期增大,通过校钟转换成了时间单位变小使周期增大。可以这样转换是由于,量子理论中的能量与时间是一对共轭量,量子力学中的对易关系导致能量-动量空间表象和时间-空间表象可相互转换,而且两个表象描述自然现象是等效的。能量-动量空间表象描述的由量子场论(6)式导出的周期增大,当转换到时间-空间表象则成为质量附近的时间单位(s)变小致使周期增大。因为描述周期除了数值外还要有时间单位,对于处处相同的周期来说,Υτ=Υ0τ0 ,当质量附近的钟的1s (τ)被校准得小于远处钟的1s (τ0),则质量附近的周期读数Υ会大于远处的周期读数Υ0 。能量-动量空间表象的观奌是,质量附近的光子能量 hυ 小了从而导致周期Υ增大,时间-空间表象的观奌是,质量附近的时间单位τ小了从而导致周期Υ增大。或者是能量小了。或者时间单位小了,可任选一个,但不能两个同时选。因为只有一个客观存在的周期增大,什么原因引起的可以有不同的看法,但每次只能取一对共轭量中的一个来描述它。从时间-空间表象的观奌看是:质量M附近的钟的1s (τ)被校准得小于远处钟的1s (τ0 ),从而任何过程(包括光传僠过程)在质量M附近的时间读数dt 将大于在远处的时间读数dt 0 ,由dt ·τ= dt 0 ·τ0有:
dt τ0 2ЭM
——=——=(1-———)-1/2 或
dt 0 τ c2R
dt τ0 2ЭM
——=——=(1-———)1/2 (8)
dt 0 τ c2R
孤立静止质点M的引力场不随时间变化而且是球对称的,只有度规的时间分量和度规的径向空间分量会因引力场而发生变化,因此我们只需要考虑光子沿径向传播的动量-能量变化,只需要在径向方向校尺。由式(7)可知,质量附近光子的能量
E
E小于远处的光子能量E 0 ,再根据光子的动量P =——,质
c
量附近光子的动量P就小于远处的光子动量P 0 ,对应于光波的波矢k<k 0 ,从而质量附近光波的波长λ就大于远处的光波的波长λ0,有:
λ E 0 2ЭM
—— =—— =(1-——— )-1/2
λ0 E c2R
由于光速保恒,质量附近的光速υλ等于远处的光速υ0λ0,同样得到:
λ υ0 2ЭM
—— =—— =(1-——— )-1/2
λ0 υ c2R
长度单位(标准尺)u是用n个光波波长定义的,用光波波长校准各处的标准尺,则质量附近的标准尺u的长度将比远处
的标准尺u 0的长度更长:
u nλ 2ЭM
—— =—— =(1-——— )-1/2 >1
u 0 nλ0 c2R
能量-动量空间表象中的质量附近光子的动量P小于远处的动量P 0 ,通过校尺转换成时间-空间表象的质量附近的标准尺u的长度大于远处的标准尺u 0的长度,使得质量附近的长度读数dl将小于远处的dl 0,有:
dl 0 u 2ЭM
—— = —— =(1-——— )-1/2 (9)
dl u 0 c2R
孤立静止质点球对称引力场的度规一般为:
ds 2=eΦc2dt 2-eΨdr 2-r 2dθ2-r 2sin2θdφ2 (10) Φ与ψ只是r的函数。无引力场时的度规为:
ds 2=c2dt 02-dr 02-r 02dθ02-r 02sin2θ0dφ02 (11)
比较(10)式与(11)式,再用(8)式和(9)式可得
dt 02 dt 0 2ЭM
eΦ=——= ( —— )2=(1- ——— )
dt 2 dt c2R
dr 02 dl 0 2ЭM
eΨ= —— =(—— )2 =(1-——— )-1
dr 2 dl c2R
代入(10)式即得:
2ЭM 2ЭM
ds 2=(1- ———)c2dt 2 -(1- ———)-1 dr 2
c2R c2R
-r 2dθ2-r 2sin2θdφ2 (12) 式(12)正是爱因斯坦方程的严格解Schwarzschild度规,现在是从量子场论的式(6)导出的。 |