2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——宇宙時(shí)空與相對(duì)論研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.狹義相對(duì)論的兩條基本原理是__________和__________。2.假設(shè)光速在所有慣性系中均為常量，這一原理對(duì)經(jīng)典力學(xué)中的哪些基本概念構(gòu)成了挑戰(zhàn)？3.請(qǐng)解釋時(shí)間膨脹效應(yīng)，并說(shuō)明其發(fā)生的條件。4.狹義相對(duì)論中，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度在其運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)發(fā)生收縮，請(qǐng)簡(jiǎn)述其含義及依賴因素。二、5.質(zhì)能關(guān)系E=mc2揭示了質(zhì)量與能量的緊密聯(lián)系。請(qǐng)解釋該關(guān)系式的物理意義，并說(shuō)明它在核能開(kāi)發(fā)和宇宙學(xué)研究中的應(yīng)用前景。6.廣義相對(duì)論將引力解釋為_(kāi)_________的表現(xiàn)。等效原理的內(nèi)容是__________。7.廣義相對(duì)論預(yù)言了光線在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生彎曲。請(qǐng)簡(jiǎn)述這一預(yù)言的依據(jù)，并提及一個(gè)能夠驗(yàn)證該預(yù)言的天文觀測(cè)實(shí)例。8.水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象用牛頓萬(wàn)有引力定律無(wú)法完全解釋，廣義相對(duì)論如何對(duì)此提供了修正？三、9.宇宙大爆炸模型的主要依據(jù)是什么？宇宙微波背景輻射(CMB)在這一模型中扮演著怎樣的角色？10.請(qǐng)簡(jiǎn)述暗物質(zhì)和暗能量在當(dāng)前宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）中所起的作用，以及它們對(duì)宇宙命運(yùn)的影響。11.根據(jù)當(dāng)前的宇宙學(xué)觀測(cè)，宇宙正在加速膨脹，請(qǐng)解釋暗能量可能是什么，并說(shuō)明其解釋該現(xiàn)象的基本思路。12.弗里德曼方程描述了宇宙的演化，請(qǐng)寫出其中一個(gè)最基本的方程（無(wú)需推導(dǎo)），并說(shuō)明其涉及的關(guān)鍵物理量代表的含義。四、13.在使用GPS衛(wèi)星進(jìn)行定位時(shí)，需要考慮狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的影響。請(qǐng)分別說(shuō)明這兩種相對(duì)論效應(yīng)如何影響GPS系統(tǒng)的計(jì)時(shí)，以及工程師如何進(jìn)行修正？14.引力波是天體物理中的一個(gè)重要研究方向。請(qǐng)簡(jiǎn)述引力波是如何產(chǎn)生的，并說(shuō)明探測(cè)引力波的主要技術(shù)手段及其面臨的挑戰(zhàn)。15.黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種天體，請(qǐng)描述其“事件視界”的概念，并解釋為什么一旦物質(zhì)越過(guò)事件視界，就無(wú)法再逃逸出來(lái)。16.霍金輻射是關(guān)于黑洞的一個(gè)重要理論預(yù)言，請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本思想，并說(shuō)明它對(duì)黑洞熱力學(xué)和宇宙學(xué)可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。試卷答案一、1.相對(duì)性原理，光速不變?cè)?.同時(shí)性、絕對(duì)時(shí)空觀、同時(shí)性的相對(duì)性、時(shí)空統(tǒng)一性3.時(shí)間膨脹是指在一個(gè)慣性系中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)程變慢，相對(duì)于靜止觀察者而言。其發(fā)生條件是存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。4.長(zhǎng)度收縮是指物體在運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度比其在靜止時(shí)的長(zhǎng)度要短。其含義是空間間隔具有相對(duì)性，依賴于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。依賴因素是物體相對(duì)于觀察者的速度。二、5.該關(guān)系式表明質(zhì)量和能量是等價(jià)的，可以相互轉(zhuǎn)換。質(zhì)量可以看作是物質(zhì)所儲(chǔ)存的能量的量度。在核反應(yīng)中，微小的質(zhì)量損失會(huì)釋放巨大的能量，這是核能發(fā)電和核武器的基礎(chǔ)。在宇宙學(xué)中，它關(guān)系到宇宙的總能量密度和演化。6.時(shí)空彎曲，一個(gè)引力場(chǎng)中的局域慣性系，其物理規(guī)律與沒(méi)有引力場(chǎng)時(shí)的勻加速慣性系完全相同。7.依據(jù)是光速不變?cè)砗蛷V義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程預(yù)言引力會(huì)彎曲時(shí)空。觀測(cè)實(shí)例包括星光在太陽(yáng)引力場(chǎng)附近經(jīng)過(guò)時(shí)的彎曲（日食期間觀測(cè)）或類星體光線被河外星系引力場(chǎng)彎曲。8.牛頓萬(wàn)有引力定律預(yù)言的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角度是一個(gè)固定值。廣義相對(duì)論預(yù)言在太陽(yáng)引力場(chǎng)影響下，進(jìn)動(dòng)角度會(huì)比牛頓預(yù)言值額外多出43角秒/百年。愛(ài)因斯坦的計(jì)算與觀測(cè)高度吻合。三、9.主要依據(jù)是宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，它被認(rèn)為是早期熾熱、致密宇宙的余暉。此外，星系團(tuán)、超星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化也與大爆炸模型預(yù)測(cè)一致。大尺度結(jié)構(gòu)的形成需要引力作用，而宇宙的膨脹為結(jié)構(gòu)形成提供了時(shí)間和空間。10.暗物質(zhì)通過(guò)引力相互作用，對(duì)星系、星系團(tuán)的旋轉(zhuǎn)曲線和團(tuán)內(nèi)引力透鏡效應(yīng)提供了重要的質(zhì)量支撐，其質(zhì)量遠(yuǎn)超可見(jiàn)物質(zhì)。暗能量被認(rèn)為是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因，它均勻分布在空間中，具有負(fù)壓強(qiáng)。11.暗能量可能是一種具有負(fù)壓強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)或修正的引力理論。其解釋加速膨脹的基本思路是：暗能量產(chǎn)生的排斥性作用（負(fù)壓強(qiáng)）克服了物質(zhì)間的引力，導(dǎo)致宇宙膨脹速率隨時(shí)間增加。12.一個(gè)最基本的方程是：(?+Hh)=-κΛρ/(3p(1-ω))，其中?是哈勃參數(shù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，H是哈勃參數(shù)，h是哈勃常數(shù)，κ是曲率常數(shù)，Λ是宇宙學(xué)常數(shù)，ρ是物質(zhì)密度，p是壓強(qiáng)，ω是物質(zhì)密度參數(shù)（ρ/ρc）。該方程描述了宇宙尺度的動(dòng)力學(xué)演化，其中哈勃參數(shù)H與宇宙膨脹速率相關(guān)，Λ代表宇宙學(xué)常數(shù)（暗能量的一種模型）。四、13.狹義相對(duì)論效應(yīng)：GPS衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其上的原子鐘相對(duì)于地面慢（時(shí)間膨脹）。廣義相對(duì)論效應(yīng)：GPS衛(wèi)星處于較高軌道，引力較弱，其上的原子鐘相對(duì)于地面快（引力頻移）。工程師需要通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘進(jìn)行精確調(diào)整（預(yù)慢）并對(duì)接收機(jī)鐘進(jìn)行修正，以補(bǔ)償這兩種相對(duì)論效應(yīng)帶來(lái)的時(shí)間差異。14.引力波是由加速運(yùn)動(dòng)的massive天體（如中子星并合、黑洞并合）產(chǎn)生的時(shí)空擾動(dòng)以波的形式向外傳播。探測(cè)主要使用激光干涉儀（如LIGO,Virgo,KAGRA），通過(guò)測(cè)量?jī)杀坶L(zhǎng)度變化來(lái)探測(cè)引力波引起的極其微小的時(shí)空擾動(dòng)。挑戰(zhàn)在于引力波信號(hào)極其微弱，且易受環(huán)境噪聲干擾。15.事件視界是黑洞周圍一個(gè)邊界，一旦有物質(zhì)或輻射越過(guò)這個(gè)邊界，就無(wú)法再escaping到外部空間。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)物體接近黑洞時(shí)，引力急劇增大，產(chǎn)生強(qiáng)大的時(shí)間膨脹和空間收縮效應(yīng)，最終在事件視界處時(shí)間趨于停滯，空間收縮到無(wú)法逾越的程度。16.霍金輻射是理論預(yù)言黑洞會(huì)像黑體一樣輻