引力场中真空折射率的改变及光的传播特性研究

论文摘要

自从爱因斯坦创立广义相对论以来,大量的天文观测证实了这一引力理论的正确性。但是理论学家相信,自然界是统一的,因此引力、电磁力、弱力、强力这四种基本相互作用应该可以用一个统一的理论来描述。爱因斯坦本人做了开创性的工作,即试图建立一个将引力和电磁力纳入同一理论框架的统一场论,但是虽然尽了后半生漫长而艰辛的努力,终未能成功。今天,电、弱、强这三种基本相互作用已经在量子理论的框架下基本得以统一,而引力场的量子化虽经长达70多年的艰难攻关,却始终未能消除出现许许多多无穷大值的致命问题。另一方面,当前天体物理学和宇宙学中面临两个扑溯迷离的重大问题,即与星系转动曲线异常和宇宙加速膨胀等一系列问题相联系的暗物质、暗能量问题。这些问题连同引力场量子化的无穷大问题等,强烈地预示着需要对爱因斯坦的几何化引力理论给予严肃的审查,尤其是对真空在引力相互作用中扮演的角色需要进行仔细的考察。鉴于此,为了证明从真空出发建立一个引力相互作用的理论是可行的,本文在阐述量子真空的基本物理特性的基础上,从真空渐变折射率的角度考察了引力场中光的传播特性,并将得到的结果应用于引力透镜的研究,用传统光学的方法解决了引力场中光的传播的一系列问题。本论文的研究内容和创新工作主要包括以下几个方面：(1)提出了真空很可能是传递引力相互作用的媒介物质的思想,认为真空会因为有引力物质的存在而受到影响,提出了引力场中非均匀真空的概念。根据光在弯曲时空中传播与在非均匀介质中传播的费马原理之间的相似性,提出一个非均匀的真空与广义相对论的弯曲时空相对应。(2)比较了光在弯曲时空中传播与在非均匀介质中传播的角位移公式,从两者的相似性出发,找到了求解引力空间中真空折射率的一般方法,再结合广义相对论中的Schwarzschild外解和内解,求解了引力物质系统外部和内部空间中的真空折射率分布,发现在弱场下内外两个折射率分布可以用一个简单统一的引力势的指数函数来表达,从而将弯曲时空、真空渐变折射率和引力势三者联系了起来。(3)利用得到的真空折射率表达式研究了引力透镜的成像情况,对引力透镜成像的光路、像的形状、上下像之间的时间延迟、透镜天体的质量等用传统光学的方法进行了计算、分析和模拟,并对哈勃常数的大小进行了估算。另外还用真空渐变折射率的方法研究了引力透镜的中心成像问题,清楚直观地解答了长期以来令人困惑不解的中心像缺失疑难。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 目的和意义
• §1.2 研究的历史和现状
• §1.3 本论文的主要工作
• 第二章 引力场中光的传播理论概述
• §2.1 广义相对论下的光的传播
• 2.1.1 弯曲时空中的粒子运动
• 2.1.2 球对称引力场中的光线弯曲
• §2.2 折射率概念下的光的传播
• 2.2.1 引力场中光线偏转的折射率等效
• 2.2.2 折射率物理实质的考察
• §2.3 本章小结
• 第三章 真空的基本物理特性
• §3.1 真空作为特殊的物理实在
• 3.1.1 对真空的早期认识
• 3.1.2 狄拉克的真空负能电子海
• 3.1.3 量子真空及其效应
• §3.2 真空作为相互作用的媒介
• 3.2.1 探索历程中的相互作用媒介——以太
• 3.2.2 真空与电磁相互作用
• 3.2.3 真空与其他相互作用
• §3.3 真空作为特殊的光学介质
• 3.3.1 电磁场对真空中光的传播的影响
• 3.3.2 引力场对真空中光的传播的影响
• §3.4 本章小结
• 第四章 用真空折射率研究引力场中光的传播
• §4.1 光在引力场中传播与在非均匀介质中传播的相似性及启示
• 4.1.1 光在引力场中传播与在非均匀介质中传播的相似性
• 4.1.2 相似性的启示
• §4.2 球对称引力场中的真空折射率
• 4.2.1 与Schwarzschild外解相对应的真空折射率
• 4.2.2 与Schwarzschild内解相对应的真空折射率
• 4.2.3 弱场下的近似
• 4.2.4 真空折射率与引力势
• §4.3 真空折射率的变化与引力场中的光速
• 4.3.1 引力场中真空折射率的变化
• 4.3.2 引力场中的光速
• §4.4 真空折射率的初步应用
• 4.4.1 太阳引力场中的光线弯曲
• 4.4.2 太阳引力场中的雷达回波延迟
• §4.5 本章小节
• 第五章 真空折射率在引力透镜研究中的应用
• §5.1 引力透镜及其意义
• 5.1.1 引力透镜的预言
• 5.1.2 引力透镜的发现
• 5.1.3 引力透镜研究的意义
• §5.2 现有理论给出的引力透镜的计算
• 5.2.1 点状透镜
• 5.2.2 延展透镜
• §5.3 用真空折射率研究引力透镜的上下像
• 5.3.1 成像光路模拟
• 5.3.2 成像形状模拟
• 5.3.3 上下像之间的时间延迟
• 5.3.4 估算透镜天体的质量
• 5.3.5 估算哈勃常数的大小
• §5.4 用真空折射率研究引力透镜的中心像
• 5.4.1 引力透镜内部的真空折射率分布
• 5.4.2 中心像光线追踪
• 5.4.3 影响中心像光线位置的三个因素
• 5.4.4 对中心像缺失的解释
• §5.5 其他
• 5.5.1 麦克斯韦鱼眼
• 5.5.2 引力透镜的会聚特性
• §5.6 本章小节
• 第六章 结论与展望
• §6.1 结论
• §6.2 意义和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的论文