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1、相对论的建立相对论的建立1 1一一. 两朵乌云两朵乌云 1900，开尔文勋爵：，开尔文勋爵： 物理学的大厦已经建成，未物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。但是，明朗的天空的工作就行了。但是，明朗的天空还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关关，另一朵与迈克尔逊实验有关。2 2第一朵乌云：黑体辐射第一朵乌云：黑体辐射 量子论量子论第二朵乌云：迈克尔逊实验第二朵乌云：迈克尔逊实验 相对论相对论190019053 3量子论的诞生量子论的诞生4 4量子说量子说 光子说光子说爱因斯坦解释光电效应
2、爱因斯坦解释光电效应19055 5爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（）uu1879.3.14 1879.3.14 诞生于德国乌尔姆诞生于德国乌尔姆诞生于德国乌尔姆诞生于德国乌尔姆uu中，小学时代中，小学时代中，小学时代中，小学时代 德国慕尼黑德国慕尼黑德国慕尼黑德国慕尼黑uu1895-1896 1895-1896 瑞士阿劳中学一年瑞士阿劳中学一年瑞士阿劳中学一年瑞士阿劳中学一年uu1896-1900 1896-1900 苏黎士工业大学学习苏黎士工业大学学习苏黎士工业大学学习苏黎士工业大学学习uu1900-1902 1900-1902 艰辛求职，四面碰壁艰辛求职，四面碰壁艰辛求职，四面碰壁艰辛求职，四
3、面碰壁6 6 爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教育没有好印象。育没有好印象。育没有好印象。育没有好印象。 他高度评价阿劳中学的教学：他高度评价阿劳中学的教学：他高度评价阿劳中学的教学：他高度评价阿劳中学的教学： “ “这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权这个中学用它的自由精神和那些不仗外界
4、权这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论的土壤的土壤的土壤的土壤” ”7 7uu1902-1909 伯尔尼发明专利局伯尔尼发明专利局工作工作uu初期科研情况：初期科研情况： 1901-1篇论文篇论文 1902-2篇篇论文论文 1903-1篇篇论文论文 1904-1篇篇论文论文8
5、8希尔伯特：希尔伯特： 没有比专利局对爱因斯坦没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了更适合的工作单位了 空闲、宽容空闲、宽容9 9爱因斯坦的丰收年爱因斯坦的丰收年（26岁）岁）uu1905-51905-5篇篇篇篇 3 3月月月月 解释光电效应解释光电效应解释光电效应解释光电效应光子说（光子说（光子说（光子说（6 6月月月月 发表）发表）发表）发表） 4 4月月月月 博士论文：测定分子大小的新博士论文：测定分子大小的新博士论文：测定分子大小的新博士论文：测定分子大小的新 方法（方法（方法（方法（4 4月提交）月提交）月提交）月提交） 10105月月 解释布朗运动（解释布朗运动（7月发表）月发表
6、）6月月 “论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学”狭狭 义相对论（义相对论（9月发表）月发表）9月月 （11月发表）月发表）1111爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（） 1909-1914 1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布进入大学工作（苏黎士，布进入大学工作（苏黎士，布进入大学工作（苏黎士，布 拉格等地）拉格等地）拉格等地）拉格等地） 1914-1933 1914-1933 柏林大学教授，德国物理研柏林大学教授，德国物理研柏林大学教授，德国物理研柏林大学教授，德国物理研 究所所长究所所长究所所长究所所长、院士院士院士院士 1915 1915 提出广义相对论提出广义相对论提出广义相对论
7、提出广义相对论（3636岁）岁）岁）岁） 1933-1955 1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究美国普林斯顿大学高级研究美国普林斯顿大学高级研究美国普林斯顿大学高级研究 所研究员所研究员所研究员所研究员 19551955年年4 4月月1818日日 逝世逝世1212二二.狭义相对论狭义相对论 光波是光波是光波是光波是“ “以太以太以太以太” ”的弹性振动。的弹性振动。的弹性振动。的弹性振动。 以太相对于地球运动吗？以太相对于地球运动吗？以太相对于地球运动吗？以太相对于地球运动吗？ 光行差现象（光行差现象（光行差现象（光行差现象（17281728，18101810）：以太相）：以太相）：
8、以太相）：以太相 对于地球有运动。对于地球有运动。对于地球有运动。对于地球有运动。 迈克尔逊实验（迈克尔逊实验（迈克尔逊实验（迈克尔逊实验（18811881，18871887）：没有）：没有）：没有）：没有 测出这一运动。测出这一运动。测出这一运动。测出这一运动。1313洛伦兹的解释：洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：洛伦兹收缩：1414x=x-vty=yz=zt=t伽利略变换伽利略变换1515洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换1616爱因斯坦的新理论爱因斯坦的新理论相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理洛伦兹变换洛
9、伦兹变换不存在绝对空间，一切运动都是相对的不存在绝对空间，一切运动都是相对的洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换V是相对速度是相对速度爱因斯坦：爱因斯坦：1717洛伦兹反对爱因斯坦的观点，洛伦兹反对爱因斯坦的观点，给爱因斯坦的理论起了个名字：给爱因斯坦的理论起了个名字： 相对论相对论1818相对论认为“同时”是相对的动尺收缩： 空间是相 对的动钟变慢： 时间是相 对的质能关系：1919 爱因斯坦的创新之处：爱因斯坦的创新之处：爱因斯坦的创新之处：爱因斯坦的创新之处：（1 1）坚持相对性原理）坚持相对性原理）坚持相对性原理）坚持相对性原理（2 2）认识到光速是
10、绝对的）认识到光速是绝对的）认识到光速是绝对的）认识到光速是绝对的（3 3）时间）时间）时间）时间 能量能量能量能量 空间空间空间空间 动量动量动量动量2020究竟是谁创造了相对论？究竟是谁创造了相对论？2121uu历史：历史：1892 1892 洛伦兹斐兹杰惹收缩洛伦兹斐兹杰惹收缩洛伦兹斐兹杰惹收缩洛伦兹斐兹杰惹收缩 （18921892） （18891889，18931893）1902 1902 彭卡莱否认绝对空间，绝对时间彭卡莱否认绝对空间，绝对时间彭卡莱否认绝对空间，绝对时间彭卡莱否认绝对空间，绝对时间 （但仍承认有以太）（但仍承认有以太）（但仍承认有以太）（但仍承认有以太） 批评相对于
11、绝对空间的动尺收缩假设，批评相对于绝对空间的动尺收缩假设，批评相对于绝对空间的动尺收缩假设，批评相对于绝对空间的动尺收缩假设， 认为认为认为认为“ “相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理” ”适用于电磁理论适用于电磁理论适用于电磁理论适用于电磁理论2222uu1904 洛伦兹部分接受彭卡莱批评洛伦兹部分接受彭卡莱批评 提出地方时间提出地方时间提出地方时间提出地方时间 （非真实时间）（非真实时间）（非真实时间）（非真实时间） 给出洛伦兹变换给出洛伦兹变换给出洛伦兹变换给出洛伦兹变换 （1887 1887 佛格特，佛格特，佛格特，佛格特，1898 1898 拉摩）拉摩）拉摩）拉摩） 电子质量公
12、式电子质量公式电子质量公式电子质量公式 2323uu1904 彭卡莱彭卡莱 正确表述正确表述正确表述正确表述“ “相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理” ” 提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间。间，不是真实时间。间，不是真实时间。间，不是真实时间。 推测真空中光速推测真空中光速推测真空中光速推测真空中光速c c是常数，且可能是极限速是常数，且可能是极限速是常数，且可能是极限速是常数，且可能是极限速度；度；度；度；2424uu1905 爱因斯坦发表相对论爱因斯
13、坦发表相对论 （论运动物体的电动力学）（论运动物体的电动力学）只有他认识到只有他认识到只有他认识到只有他认识到（1 1）必须彻底抛弃绝对空间（以太）必须彻底抛弃绝对空间（以太）必须彻底抛弃绝对空间（以太）必须彻底抛弃绝对空间（以太） 必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）（2 2）“ “同时同时同时同时” ”是相对的，可以用光来对钟，定是相对的，可以用光来对钟，定是相对的，可以用光来对钟，定是相对的，可以用光来对钟，定义义义义“ “同时同时同时同时” ”（3 3）新理论是一个时空理论）新理
14、论是一个时空理论）新理论是一个时空理论）新理论是一个时空理论2525uu杨振宁教授杨振宁教授杨振宁教授杨振宁教授洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论，不从哲学角度考虑论，不从哲学角度考虑论，不从哲学角度考虑论，不从哲学角度考虑彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光
15、彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只从哲学和教学的角度来考查问题彭卡莱只从哲学和教学的角度来考查问题彭卡莱只从哲学和教学的角度来考查问题彭卡莱只从哲学和教学的角度来考查问题, , 不从实验不从实验不从实验不从实验和测量的角度考查和测量的角度考查和测量的角度考查和测量的角度考查爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，
16、既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“ “奥奥奥奥林匹亚学院林匹亚学院林匹亚学院林匹亚学院” ”）洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。理型的。理型的。理型的。2626三三.弯曲的时空弯曲的时空广义相对论广义相对论（1）惯性系无法定义）惯性系无法定义（2）万有引力定律纳不进相对论体）万有引力定律纳不进相对论体系系27272828引力场引力场=惯性场惯性场 (局域局域) 等效原理等效原
17、理 广义相对性原理广义相对性原理广义相对论广义相对论2929 万有引力不是真正的力，而是时空弯曲万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现的表现行星绕日运动是惯性运动（伽利略的错行星绕日运动是惯性运动（伽利略的错误）误）地球上的自由落体是惯性运动地球上的自由落体是惯性运动30303131 时间时间 能能量量 空间空间 动动量量 时空曲率时空曲率物质物质3232广义相对论的三个实验验证广义相对论的三个实验验证（1） 引力红移引力红移（2） 水星进动水星进动（3） 光线偏折光线偏折3333水星轨道近日点的进动水星轨道近日点的进动5600.73 0.41/百年，（观测）百年，（观测）5557.62 0
18、.20/百年，（计算）百年，（计算）43.11/百年的进动无法百年的进动无法解释广义相对论的回答：广义相对论的回答：43/百年百年勒维叶的猜测，火神星勒维叶的猜测，火神星（勒维叶与亚当斯发现海王星）（勒维叶与亚当斯发现海王星）34343535光线偏折光线偏折广义相对论：广义相对论： =1.75牛顿理论：牛顿理论： =0.875实验观测：实验观测：（1915年：爱丁顿年：爱丁顿 西非普林西比西非普林西比; ; 巴西，阴雨）巴西，阴雨） =1.98 0.12今天：今天： =1.8936363737引力波引力波 广义相对论预言：有引力波，以光速传广义相对论预言：有引力波，以光速传 播播 J.H.Ta
19、ylar,R.A.Hulse发现脉动双星发现脉动双星（PSR1913+16）轨道周期每年减少约万轨道周期每年减少约万 分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。（由于对脉冲双星研究的贡献获（由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺年诺贝尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）贝尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）38383939爱因斯坦说：爱因斯坦说： 狭义相对论如果我不发现，五狭义相对论如果我不发现，五年之内就会有人发现。年之内就会有人发现。广义相对论如果我不发现，广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现！年之内也不会有人发现！4040爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场
20、方程：爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程：爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程：爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程：数学家对爱因斯坦的帮助数学家对爱因斯坦的帮助4141四、相对论的进展四、相对论的进展 现代宇宙学现代宇宙学 黑洞黑洞 奇性定理奇性定理 时空隧道与时间机器时空隧道与时间机器 规范场规范场4242现代宇宙学现代宇宙学爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型加入宇宙项加入宇宙项 （宇宙项）43434444暗物质与暗能量暗物质与暗能量物质亮星暗物质暗能量重子热暗物质(中微子)冷暗物质起源于动力学暗能量广义相对论在宇观尺度失效0.5%4%0.3%29%
21、65%4545黑洞黑洞r(视界）r=0奇点 t r洞外洞外 时间时间 空间空间洞内洞内 空间空间 时间时间464647474848信息疑难信息疑难20042004年年年年7 7月月月月2121日日日日, ,霍金霍金霍金霍金 “ “我输了我输了我输了我输了” ”霍金霍金(S.W.Hawking)索恩索恩(Kip.Throne)普瑞斯基普瑞斯基(John Preskill )4949奇性疑难奇性疑难彭若斯与霍金的奇性定理彭若斯与霍金的奇性定理: 时间一定有开始和结束时间一定有开始和结束 5050宇宙中的虫洞宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器时空隧道与时间机器5151规范场：规范场：1、爱因斯坦统一场论
22、的思想、爱因斯坦统一场论的思想2、魏尔（、魏尔（H.Weyl）的尺度变换理论的尺度变换理论 规范场规范场3、爱因斯坦的反对意见、爱因斯坦的反对意见4、福克与伦敦对魏尔理论的修正、福克与伦敦对魏尔理论的修正5、杨振宁对规范场的贡献、杨振宁对规范场的贡献6、引力规范理论、引力规范理论5252五、爱因斯坦的主要成就五、爱因斯坦的主要成就uu1905 1905 狭义相对论（受马赫思想启发）狭义相对论（受马赫思想启发）狭义相对论（受马赫思想启发）狭义相对论（受马赫思想启发） 光子说光子说光子说光子说uu1915 1915 广义相对论（受马赫思想启发，得广义相对论（受马赫思想启发，得广义相对论（受马赫思想
23、启发，得广义相对论（受马赫思想启发，得 到格罗思曼与希尔伯特的帮助）到格罗思曼与希尔伯特的帮助）到格罗思曼与希尔伯特的帮助）到格罗思曼与希尔伯特的帮助） 其他成就：分子运动论，量子统计，激光其他成就：分子运动论，量子统计，激光其他成就：分子运动论，量子统计，激光其他成就：分子运动论，量子统计，激光 原理，统一场论，与哥本哈根原理，统一场论，与哥本哈根原理，统一场论，与哥本哈根原理，统一场论，与哥本哈根 学派的论战学派的论战学派的论战学派的论战5353爱因斯坦是人而不是神爱因斯坦是人而不是神他曾经：他曾经：不同意膨胀宇宙模型；不同意膨胀宇宙模型；不同意白矮星存在质量上限；不同意白矮星存在质量上限；不同意有黑洞存在；不同意有黑洞存在；不同意不同意H.Weyl的规范场论；的规范场论；始终不同意量子力学的统计解释始终不同意量子力学的统计解释 这些不同意见有对有错，他从正反两方面这些不同意见有对有错，他从正反两方面推动了物理学的发展。推动了物理学的发展。5454爱因斯坦作出划时代的成爱因斯坦作出划时代的成就是在就是在25岁岁45岁岁之间之间26岁岁：狭义相对论，光量：狭义相对论，光量子论子论36岁岁：广义相对论：广义相对论5555
