物理與文化第11講時(shí)空觀的革命——相對(duì)論

1、物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命相對(duì)論相對(duì)論 “ “牛頓啊，牛頓啊，請(qǐng)?jiān)徫艺?qǐng)?jiān)徫?，你所發(fā)現(xiàn)的道路，在你所在的那，你所發(fā)現(xiàn)的道路，在你所在的那個(gè)時(shí)代，是一位具有個(gè)時(shí)代，是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路唯一道路。你所創(chuàng)造的概念，甚至今天仍然指導(dǎo)著我們的物。你所創(chuàng)造的概念，甚至今天仍然指導(dǎo)著我們的物理思想，理思想，雖然雖然我們現(xiàn)在知道，如果要更加深入地了解各種聯(lián)我們現(xiàn)在知道，如果要更加深入地了解各種聯(lián)系，那就必須用另外一些系，那就必須用另外一些離直接經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域較遠(yuǎn)離直接經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域

2、較遠(yuǎn)的概念來(lái)代替的概念來(lái)代替這些概念。這些概念?！?愛(ài)因斯坦在紀(jì)念牛頓誕生愛(ài)因斯坦在紀(jì)念牛頓誕生300300周年周年 紀(jì)念會(huì)上的講話紀(jì)念會(huì)上的講話 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 19051905年，年，2626歲的愛(ài)因斯坦（歲的愛(ài)因斯坦（伯爾尼的一個(gè)小技術(shù)員伯爾尼的一個(gè)小技術(shù)員）一連）一連發(fā)表了發(fā)表了6 6篇文章，開(kāi)辟了物理學(xué)發(fā)展的篇文章，開(kāi)辟了物理學(xué)發(fā)展的新方向新方向：光量子光量子、狹、狹義相對(duì)論、義相對(duì)論、布朗運(yùn)動(dòng)理論布朗運(yùn)動(dòng)理論。使。使幾千年來(lái)幾千年來(lái)人們的絕對(duì)時(shí)空觀人們的絕對(duì)時(shí)空觀發(fā)生了深刻的變革，由此導(dǎo)出的質(zhì)能關(guān)系式發(fā)生了深刻的變革，由此導(dǎo)出的質(zhì)能關(guān)

3、系式 ，為原，為原子能的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。子能的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。 1913191319151915年，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步創(chuàng)立的年，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步創(chuàng)立的廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論，把牛，把牛頓萬(wàn)有引力理論提高到新的場(chǎng)論水平，為宇宙學(xué)研究開(kāi)辟頓萬(wàn)有引力理論提高到新的場(chǎng)論水平，為宇宙學(xué)研究開(kāi)辟了道路。了道路。 本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)不在于那些數(shù)學(xué)公式，而是請(qǐng)同學(xué)們盡量本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)不在于那些數(shù)學(xué)公式，而是請(qǐng)同學(xué)們盡量領(lǐng)會(huì)領(lǐng)會(huì)愛(ài)因斯坦的科學(xué)思想和主要成就愛(ài)因斯坦的科學(xué)思想和主要成就，這正是本章的主要，這正是本章的主要目的。目的。 愛(ài)因斯坦：愛(ài)因斯坦：“科學(xué)不僅僅是定律的集合，它是人類(lèi)心智的科學(xué)不僅僅是定律的集合，它是人類(lèi)

4、心智的的創(chuàng)造，包含了自由發(fā)明的思想和概念。的創(chuàng)造，包含了自由發(fā)明的思想和概念?！?mcE 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論8.1 光速不變性和同時(shí)性的相對(duì)性 一、力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換 1 1牛頓的時(shí)空觀牛頓的時(shí)空觀 力學(xué)討論的是物體位置隨時(shí)間的改變，所以牛頓認(rèn)為首先力學(xué)討論的是物體位置隨時(shí)間的改變，所以牛頓認(rèn)為首先要對(duì)要對(duì)時(shí)空性質(zhì)時(shí)空性質(zhì)有所約定。有所約定。 在牛頓之前，時(shí)間和空間都是與具體事物的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一在牛頓之前，時(shí)間和空間都是與具體事物的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，起的，時(shí)間時(shí)間是用日月星辰的運(yùn)動(dòng)和水漏、沙漏來(lái)定義的，是用日月星辰的運(yùn)動(dòng)和水漏、沙漏來(lái)定義的，空

5、間空間是用能熱脹冷縮的桿來(lái)測(cè)量的。是用能熱脹冷縮的桿來(lái)測(cè)量的。 伽利略引入了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念，伽利略引入了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念， 但沒(méi)引入但沒(méi)引入絕對(duì)時(shí)空絕對(duì)時(shí)空概念。概念。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 牛頓的偉大之處在于他引入了抽象的牛頓的偉大之處在于他引入了抽象的絕對(duì)時(shí)空絕對(duì)時(shí)空： 絕對(duì)空間是絕對(duì)空間是均勻均勻的、的、無(wú)限的無(wú)限的和和各向同性各向同性的；的； 時(shí)間是時(shí)間是均勻均勻的、的、無(wú)限的無(wú)限的，而且時(shí)間和空間是，而且時(shí)間和空間是相互獨(dú)立的相互獨(dú)立的。 牛頓時(shí)空觀深入人心，盡管后來(lái)遭到質(zhì)疑和批評(píng)，但這絲牛頓時(shí)空觀深入人心，盡管后來(lái)遭到質(zhì)疑和批評(píng)，但這絲毫不影響

6、牛頓的偉大功績(jī)。毫不影響牛頓的偉大功績(jī)。沙沙 漏漏物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 聲音靠空氣傳播，那么光靠什么傳播？聲音靠空氣傳播，那么光靠什么傳播？1919世紀(jì)的科學(xué)家曾世紀(jì)的科學(xué)家曾假定真空中有一種假定真空中有一種“剛性剛性”極大的介質(zhì)，叫極大的介質(zhì)，叫“以太以太”，光，光靠它傳播?？克鼈鞑ァ?當(dāng)時(shí)不少人也猜想：或許當(dāng)時(shí)不少人也猜想：或許“以太以太”就是牛頓的就是牛頓的絕對(duì)空間絕對(duì)空間。 一切相對(duì)于絕對(duì)空間做勻速運(yùn)動(dòng)的參考系，都是一切相對(duì)于絕對(duì)空間做勻速運(yùn)動(dòng)的參考系，都是慣性系慣性系。2 2力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換 力學(xué)相對(duì)性原理

7、：在兩個(gè)相互作力學(xué)相對(duì)性原理：在兩個(gè)相互作勻速運(yùn)動(dòng)勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系內(nèi)，的慣性系內(nèi)，力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律是是不變不變的。的。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 在兩個(gè)慣性系之間的坐標(biāo)系變化關(guān)系，滿足在兩個(gè)慣性系之間的坐標(biāo)系變化關(guān)系，滿足伽利略伽利略變換變換。 假定假定 ， 和和 重合，則有重合，則有 伽利略變換正是牛頓力學(xué)中關(guān)于絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)伽利略變換正是牛頓力學(xué)中關(guān)于絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間觀念的數(shù)學(xué)表述。間觀念的數(shù)學(xué)表述。 時(shí)間和長(zhǎng)度在兩個(gè)慣性系里是不變的。時(shí)間和長(zhǎng)度在兩個(gè)慣性系里是不變的。0 ttOOttzzyyvtxx物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命

8、相對(duì)論相對(duì)論二、測(cè)量二、測(cè)量“以太風(fēng)以太風(fēng)”的邁克爾孫的邁克爾孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn) 1 1實(shí)驗(yàn)背景：早期人們類(lèi)比聲波，認(rèn)為光也是通過(guò)某種介質(zhì)實(shí)驗(yàn)背景：早期人們類(lèi)比聲波，認(rèn)為光也是通過(guò)某種介質(zhì)以太傳播的。以太傳播的。 以太應(yīng)具有以下性質(zhì)：以太應(yīng)具有以下性質(zhì)： 宇宙中存在一種看不見(jiàn)的彈性介質(zhì)，充滿整個(gè)宇宙，并且認(rèn)宇宙中存在一種看不見(jiàn)的彈性介質(zhì)，充滿整個(gè)宇宙，并且認(rèn)為以太應(yīng)該是絕對(duì)靜止的參考系。為以太應(yīng)該是絕對(duì)靜止的參考系。 電磁波在以太中的傳播速度約為電磁波在以太中的傳播速度約為3 310108 8 m/s。只有相對(duì)以太。只有相對(duì)以太作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體才是真正的慣性參考系。于是人們開(kāi)始作勻速

9、直線運(yùn)動(dòng)的物體才是真正的慣性參考系。于是人們開(kāi)始尋找以太，尋找絕對(duì)參考系。尋找以太，尋找絕對(duì)參考系。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 2 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模?試想，如果以太的確存在，則當(dāng)?shù)厍蛟谝蕴囅?，如果以太的確存在，則當(dāng)?shù)厍蛟谝蕴欣@太陽(yáng)以中繞太陽(yáng)以 的速度高速運(yùn)行時(shí)，在地的速度高速運(yùn)行時(shí)，在地球上應(yīng)當(dāng)感受到球上應(yīng)當(dāng)感受到“以太風(fēng)以太風(fēng)”。人們開(kāi)始通過(guò)各種。人們開(kāi)始通過(guò)各種電學(xué)的或光學(xué)的實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)以太的存在，但是都電學(xué)的或光學(xué)的實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)以太的存在，但是都得出了否定的結(jié)果。得出了否定的結(jié)果。 其中最著名的實(shí)驗(yàn)當(dāng)屬其中最著名的實(shí)驗(yàn)當(dāng)屬18871887年由邁克

10、爾孫和年由邁克爾孫和莫雷所做的邁克爾孫莫雷所做的邁克爾孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)。莫雷實(shí)驗(yàn)。sm/1034物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論3. 3. 實(shí)驗(yàn)裝置和基本原理實(shí)驗(yàn)裝置和基本原理 由于地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)，則到達(dá)探測(cè)器的兩束光的時(shí)由于地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)，則到達(dá)探測(cè)器的兩束光的時(shí)間差為間差為22222122ccLccLcLcLtvvvv21222124141tLtcv2222121212ccLccLtvv物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 這個(gè)時(shí)間差，將引起兩束光的光程差（即相位這個(gè)時(shí)間差，將引起兩束光的光程差（即相位差）。實(shí)驗(yàn)中讓整個(gè)儀器在水平

11、面上平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，使差）。實(shí)驗(yàn)中讓整個(gè)儀器在水平面上平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，使以太的方向連續(xù)地改變，相當(dāng)于以太的方向連續(xù)地改變，相當(dāng)于 的值連續(xù)改變，的值連續(xù)改變，將可觀察到干涉條紋的移動(dòng)。將可觀察到干涉條紋的移動(dòng)。 4 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 結(jié)果是看不到條紋的任何變化，也就是測(cè)不到結(jié)果是看不到條紋的任何變化，也就是測(cè)不到“以太風(fēng)以太風(fēng)”的存在。的存在。 t物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 5 5洛倫茲的工作洛倫茲的工作 在邁克爾孫在邁克爾孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)后，洛倫茲為了莫雷實(shí)驗(yàn)后，洛倫茲為了支持支持“以太以太”存存在的說(shuō)法，引入了在的說(shuō)法，引入了“長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮”的假設(shè)，認(rèn)為物

12、體在運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，認(rèn)為物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)發(fā)生時(shí)，在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮，從而使到達(dá)探測(cè)器的，從而使到達(dá)探測(cè)器的兩束光的兩束光的 00，以至看不到條紋運(yùn)動(dòng)。另外，他還在，以至看不到條紋運(yùn)動(dòng)。另外，他還在19041904年又提出了一個(gè)關(guān)于時(shí)間的變換式的假設(shè)：年又提出了一個(gè)關(guān)于時(shí)間的變換式的假設(shè)：txctt2v洛倫茲變換洛倫茲變換物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 式中式中 為地球系統(tǒng)的時(shí)間，為地球系統(tǒng)的時(shí)間，t t為為“以太以太”系統(tǒng)的時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間。在上述兩假設(shè)下，洛倫茲證明了在間。在上述兩假設(shè)下，洛倫茲證明了在 的一級(jí)近的一級(jí)近似下，地球系統(tǒng)與似下

13、，地球系統(tǒng)與“以太以太”系統(tǒng)的電磁規(guī)律是相同的。系統(tǒng)的電磁規(guī)律是相同的。但是他卻認(rèn)為，在他的理論中但是他卻認(rèn)為，在他的理論中t t是真實(shí)時(shí)間，而是真實(shí)時(shí)間，而 的引的引入完全是一種輔助手段。可見(jiàn)，入完全是一種輔助手段?？梢?jiàn)，t t 和和 意義不同，處意義不同，處于不同等地位。于不同等地位。 “以太以太”坐標(biāo)坐標(biāo)是一個(gè)處于特殊地位的是一個(gè)處于特殊地位的優(yōu)越坐標(biāo)系優(yōu)越坐標(biāo)系，也就是說(shuō)，電磁現(xiàn)象并不真的符合相對(duì)性原理。也就是說(shuō)，電磁現(xiàn)象并不真的符合相對(duì)性原理。tc/vtt 洛倫茲的工作洛倫茲的工作，最后被愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論所，最后被愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論所取代，但是他的貢獻(xiàn)不可忽視，正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)

14、：取代，但是他的貢獻(xiàn)不可忽視，正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)： “相對(duì)論實(shí)在可以說(shuō)是對(duì)麥克斯韋和洛倫茲的偉相對(duì)論實(shí)在可以說(shuō)是對(duì)麥克斯韋和洛倫茲的偉大構(gòu)思畫(huà)了最后一筆，因?yàn)樗D把物理學(xué)擴(kuò)充到包大構(gòu)思畫(huà)了最后一筆，因?yàn)樗D把物理學(xué)擴(kuò)充到包括引力在內(nèi)的一切現(xiàn)象。括引力在內(nèi)的一切現(xiàn)象。”t= t-vx/c2物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論三、愛(ài)因斯坦的追光佯謬，狹義相對(duì)論的兩三、愛(ài)因斯坦的追光佯謬，狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理個(gè)基本原理 1 1愛(ài)因斯坦的追光佯謬的提出愛(ài)因斯坦的追光佯謬的提出 提出的背景提出的背景 （1 1）邁克爾孫）邁克爾孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)以及洛倫茲的工作的啟發(fā)。莫雷實(shí)

15、驗(yàn)以及洛倫茲的工作的啟發(fā)。盡管在愛(ài)因斯坦的文章中并沒(méi)有提到邁克爾孫盡管在愛(ài)因斯坦的文章中并沒(méi)有提到邁克爾孫- -莫雷莫雷實(shí)驗(yàn)，也許在他看來(lái)，一個(gè)或幾個(gè)特殊實(shí)驗(yàn)都不足以實(shí)驗(yàn)，也許在他看來(lái)，一個(gè)或幾個(gè)特殊實(shí)驗(yàn)都不足以確立一個(gè)普遍原理。確立一個(gè)普遍原理。 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 （2 2）馬赫哲學(xué)的影響）馬赫哲學(xué)的影響( (奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家、生物學(xué)家、奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家、生物學(xué)家、心理學(xué)家心理學(xué)家) )。 在馬赫的哲學(xué)中包含著在馬赫的哲學(xué)中包含著懷疑的經(jīng)驗(yàn)主義的思想懷疑的經(jīng)驗(yàn)主義的思想，即不能，即不能被經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)的概念都是可以懷疑的。被經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)的概

16、念都是可以懷疑的。 馬赫馬赫對(duì)牛頓的對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀提出提出尖銳的批評(píng)尖銳的批評(píng)，為愛(ài)因斯坦，為愛(ài)因斯坦放棄時(shí)間的絕對(duì)性打下了思想基礎(chǔ)。放棄時(shí)間的絕對(duì)性打下了思想基礎(chǔ)。 愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)： “馬赫的馬赫的真正偉大真正偉大就在于他的就在于他的不妥協(xié)的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性。不妥協(xié)的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性?！蔽锢砼c文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 對(duì)于當(dāng)時(shí)已被人們普遍接受的絕對(duì)時(shí)間對(duì)于當(dāng)時(shí)已被人們普遍接受的絕對(duì)時(shí)間-空間概念，愛(ài)空間概念，愛(ài)因斯坦在青少年時(shí)代就提出了異疑。他的好奇心和大因斯坦在青少年時(shí)代就提出了異疑。他的好奇心和大膽的思辨使他在膽的思辨使他在1

17、6歲時(shí)（歲時(shí)（1895年高中時(shí)），就提出了年高中時(shí)），就提出了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)： “假使一個(gè)人能以假使一個(gè)人能以光的速度和光波一起跑光的速度和光波一起跑，會(huì)看，會(huì)看到什么現(xiàn)象呢？到什么現(xiàn)象呢？”物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 既然光是電場(chǎng)和和磁場(chǎng)不停地振蕩，交互變化而推動(dòng)向既然光是電場(chǎng)和和磁場(chǎng)不停地振蕩，交互變化而推動(dòng)向前的波，難道那時(shí)會(huì)看到只是在振蕩著的電磁場(chǎng)而不向前傳前的波，難道那時(shí)會(huì)看到只是在振蕩著的電磁場(chǎng)而不向前傳播嗎？播嗎？ 憑直覺(jué)，愛(ài)因斯坦給出的答案是：憑直覺(jué)，愛(ài)因斯坦給出的答案是： 愛(ài)因斯坦說(shuō)：愛(ài)因斯坦說(shuō)： “只有只有大膽的思辨大膽的思辨

18、而不是經(jīng)驗(yàn)的堆積，才能使我們進(jìn)而不是經(jīng)驗(yàn)的堆積，才能使我們進(jìn)步。步。”物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 2 2狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 愛(ài)因斯坦學(xué)習(xí)、研究、思考了愛(ài)因斯坦學(xué)習(xí)、研究、思考了1010年，于年，于19051905年發(fā)表了年發(fā)表了6 6篇論篇論文，提出了劃時(shí)代的文，提出了劃時(shí)代的“光的量子論光的量子論”、 “ “狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論”和和“布布朗運(yùn)動(dòng)理論朗運(yùn)動(dòng)理論”。 他把狹義相對(duì)論建立在兩個(gè)基本原理上：他把狹義相對(duì)論建立在兩個(gè)基本原理上： 1 1、在任何在任何慣性參考系內(nèi)慣性參考系內(nèi)真空中的光速是不真空中的光速是不變的，各向同性

19、的，與光源的速度無(wú)關(guān)，為變的，各向同性的，與光源的速度無(wú)關(guān)，為 m/sm/s 2 2、物理學(xué)的規(guī)律在任何慣性參考系內(nèi)都是一物理學(xué)的規(guī)律在任何慣性參考系內(nèi)都是一樣的。樣的。8103c 這兩條基本原理互相聯(lián)系，由這兩條基本原理互相聯(lián)系，由光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)砜蓪?dǎo)出可導(dǎo)出“洛倫洛倫茲變換茲變換”（下節(jié)討論），在此變換下，才能使電磁運(yùn)動(dòng)方程形（下節(jié)討論），在此變換下，才能使電磁運(yùn)動(dòng)方程形式不變，使式不變，使相對(duì)性原理相對(duì)性原理成立。成立。 同時(shí)同時(shí)電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變，也，也保證了光速不變保證了光速不變（即導(dǎo)出（即導(dǎo)出“洛洛倫茲變換倫茲變換”的前提）。這也說(shuō)明了理論本身是完全自洽的。的

20、前提）。這也說(shuō)明了理論本身是完全自洽的。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論四、由光速不變?cè)韺?dǎo)出同時(shí)相對(duì)性四、由光速不變?cè)韺?dǎo)出同時(shí)相對(duì)性 利用一個(gè)利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鐘標(biāo)準(zhǔn)鐘光鐘光鐘來(lái)說(shuō)明同時(shí)相對(duì)性。也來(lái)說(shuō)明同時(shí)相對(duì)性。也就是要利用光速不變?cè)韥?lái)導(dǎo)出就是要利用光速不變?cè)韥?lái)導(dǎo)出“運(yùn)動(dòng)鐘運(yùn)動(dòng)鐘”比比“靜靜止鐘止鐘”走得慢。走得慢說(shuō)明時(shí)間的單位變長(zhǎng)了。走得慢。走得慢說(shuō)明時(shí)間的單位變長(zhǎng)了。 對(duì)靜止在對(duì)靜止在S S系的鐘，甲看到光來(lái)回反射一次的時(shí)系的鐘，甲看到光來(lái)回反射一次的時(shí)間是：間是： cdt20物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 在在 系，靜止的

21、鐘對(duì)甲來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的鐘，來(lái)回一次的時(shí)系，靜止的鐘對(duì)甲來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的鐘，來(lái)回一次的時(shí)間是：間是： 但是必須指出，在但是必須指出，在 系中靜止的乙看來(lái)，此鐘來(lái)回一次系中靜止的乙看來(lái)，此鐘來(lái)回一次的時(shí)間是的時(shí)間是 。由于計(jì)時(shí)單位。由于計(jì)時(shí)單位 ，所以，甲說(shuō)：運(yùn)動(dòng)的，所以，甲說(shuō)：運(yùn)動(dòng)的鐘變慢了。當(dāng)然在乙看來(lái)，鐘變慢了。當(dāng)然在乙看來(lái)， 系的鐘也變慢了。系的鐘也變慢了。S2201cvttS0t0ttS大于大于 t0物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 這就是這就是同時(shí)的相對(duì)性同時(shí)的相對(duì)性。這在實(shí)驗(yàn)上已得到了證實(shí)，包括高速宇宙飛船中原子鐘變慢這在實(shí)驗(yàn)上已得到了證實(shí)，包括高速宇宙飛船中原

22、子鐘變慢（19711971年），高速飛行的年），高速飛行的子衰變壽命有靜止時(shí)的子衰變壽命有靜止時(shí)的 延長(zhǎng)到延長(zhǎng)到運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)的 現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫銫(Cesium)、銣銣(Russium)等。等。原子鐘原子鐘的精度可以達(dá)到每的精度可以達(dá)到每100萬(wàn)年才誤差萬(wàn)年才誤差1秒。秒。 02201cv物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論雙生子佯謬雙生子佯謬 假設(shè)有雙生子甲和乙兩人，今年假設(shè)有雙生子甲和乙兩人，今年3535歲，讓乙歲，讓乙乘宇宙飛船以速度乘宇宙飛船以速度 到離地球到離地球25.325.3光光年的恒星年的恒

23、星 織女一星去訪問(wèn)，試從狹義相對(duì)論的織女一星去訪問(wèn)，試從狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)討論：觀點(diǎn)討論： 從地球上的甲看，小雙需飛行多長(zhǎng)時(shí)間才到從地球上的甲看，小雙需飛行多長(zhǎng)時(shí)間才到達(dá)此織女一星？那時(shí)甲多大年紀(jì)了？達(dá)此織女一星？那時(shí)甲多大年紀(jì)了？ c.900v小雙的鐘顯示小雙的鐘顯示25.30.9年年da雙的鐘顯示雙的鐘顯示25.30.9(1-0.9*0.9)年年物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論牛頓絕對(duì)時(shí)空牛頓絕對(duì)時(shí)空：絕對(duì)空間是絕對(duì)空間是均勻均勻的、的、無(wú)限的無(wú)限的和和各向同性各向同性的的時(shí)間是時(shí)間是均勻均勻的、的、

24、無(wú)限的無(wú)限的而且時(shí)間和空間而且時(shí)間和空間是是相互獨(dú)立的相互獨(dú)立的。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論相對(duì)論相對(duì)論 的功勛們的功勛們邁克爾孫邁克爾孫洛倫茲洛倫茲馬赫馬赫實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)“以太以太”的沒(méi)的沒(méi)有有長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論批評(píng)牛頓時(shí)空批評(píng)牛頓時(shí)空莫雷莫雷物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論2 2、狹義相對(duì)論的狹義相對(duì)論的兩個(gè)兩個(gè)基本原理基本原理 1 1、 在任何在任何慣性參考系內(nèi)慣性參考系內(nèi)真空中的真空中的光速光速是是不變不變的，的，各向同性的，與光源的速度無(wú)關(guān)，為各向同性的，與光源的速度無(wú)關(guān)，為 m/s 物理學(xué)的物理學(xué)

25、的規(guī)律規(guī)律在任何在任何慣性參考系慣性參考系內(nèi)都是一樣的。內(nèi)都是一樣的。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 在在 系，靜止的鐘對(duì)甲來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的鐘，來(lái)回系，靜止的鐘對(duì)甲來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的鐘，來(lái)回一次的時(shí)間是：一次的時(shí)間是： 甲在甲在一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)?yán)锩嬗^察一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)?yán)锩嬗^察 光的運(yùn)動(dòng)光的運(yùn)動(dòng) 乙站乙站在地面上在地面上 觀察觀察 火車(chē)?yán)锩婊疖?chē)?yán)锩?光的運(yùn)動(dòng)光的運(yùn)動(dòng) S2201cvtt大于大于 t0物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 思想實(shí)驗(yàn)：思想實(shí)驗(yàn)： 向右向右勻速運(yùn)動(dòng)勻速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)上，車(chē)頂中部的火車(chē)上，車(chē)頂中部M 處有一處有一光源，發(fā)一光

26、源，發(fā)一閃光閃光。 此閃光經(jīng)車(chē)頭或車(chē)尾此閃光經(jīng)車(chē)頭或車(chē)尾A A、B B兩鏡子兩鏡子反射反射后回到后回到M 點(diǎn)。點(diǎn)。 火車(chē)上測(cè)量，列車(chē)長(zhǎng)為火車(chē)上測(cè)量，列車(chē)長(zhǎng)為L(zhǎng) L0 0，閃光來(lái)回的時(shí)間，閃光來(lái)回的時(shí)間為：為：cLtMM0照照妖妖鏡鏡物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 當(dāng)站地面上的你，觀測(cè)者件事時(shí)，情況。當(dāng)站地面上的你，觀測(cè)者件事時(shí)，情況。112vtLct 光向右光向右時(shí)，車(chē)在運(yùn)動(dòng)，到達(dá)鏡子時(shí)的路程時(shí)，車(chē)在運(yùn)動(dòng)，到達(dá)鏡子時(shí)的路程222vtLct 光向左返回光向左返回時(shí)，到達(dá)鏡子時(shí)的路程時(shí)，到達(dá)鏡子時(shí)的路程物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論由

27、由S S系看來(lái)，列車(chē)長(zhǎng)為系看來(lái)，列車(chē)長(zhǎng)為L(zhǎng) L ，計(jì)算可得：，計(jì)算可得：由于運(yùn)動(dòng)鐘變慢，則有由于運(yùn)動(dòng)鐘變慢，則有由上面三式可得：由上面三式可得：)1 (22ccLtMMv221cttMMMMv2201cLLv物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論8.2 8.2 洛倫茲收縮洛倫茲收縮 洛倫茲變換洛倫茲變換 速度相加定律速度相加定律 一、由光速不變?cè)韺?dǎo)出洛倫茲收縮 也就是利用光速不變?cè)砜蓪?dǎo)出運(yùn)動(dòng)物體的也就是利用光速不變?cè)砜蓪?dǎo)出運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度變短。本節(jié)中是將導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)列車(chē)的長(zhǎng)度變短。長(zhǎng)度變短。本節(jié)中是將導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)列車(chē)的長(zhǎng)度變短。 在觀察者在觀察者相對(duì)列車(chē)不動(dòng)相對(duì)列車(chē)不動(dòng)，測(cè)

28、到的列車(chē)長(zhǎng)度為，測(cè)到的列車(chē)長(zhǎng)度為L(zhǎng) L0 0，列車(chē)相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)到的列車(chē)長(zhǎng)度為，列車(chē)相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)到的列車(chē)長(zhǎng)度為 2201cLLv物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論二、洛倫茲變換 發(fā)生在空間發(fā)生在空間- -時(shí)間中的一個(gè)事件，在時(shí)間中的一個(gè)事件，在S S參考系中記參考系中記為（為（x,y,z,t）, ,在在 系（相對(duì)系（相對(duì)S S系沿系沿x軸以速度軸以速度 做勻速做勻速運(yùn)動(dòng)）中記為（運(yùn)動(dòng)）中記為（ ）, ,它們之間的變換關(guān)系在狹它們之間的變換關(guān)系在狹義相對(duì)論中由光速不變?cè)砜蓪?dǎo)出為：義相對(duì)論中由光速不變?cè)砜蓪?dǎo)出為： Svtzyx,從從S S系系 系：系：

29、S222211cxttzzyyctxxvcvvv2V 時(shí)間和空間相互聯(lián)系時(shí)間和空間相互聯(lián)系物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論從從S系系S系：系：222211cxttzzyyctxxvcvvv2上述變換稱為洛倫茲變換，是一個(gè)線性變換。上述變換稱為洛倫茲變換，是一個(gè)線性變換。 同時(shí)性的相對(duì)性同時(shí)性的相對(duì)性V物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論三、速度相加定律 例圖中，一名運(yùn)動(dòng)員在高速列車(chē)上飛跑。假定高例圖中，一名運(yùn)動(dòng)員在高速列車(chē)上飛跑。假定高速列車(chē)（速列車(chē)（S系）相對(duì)地面（系）相對(duì)地面（S系）以系）以v=0.9=0.9c運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員又

30、以員又以u(píng)=0.90.9c在在S系中運(yùn)動(dòng)。則相對(duì)地面講，運(yùn)動(dòng)員系中運(yùn)動(dòng)。則相對(duì)地面講，運(yùn)動(dòng)員的速度的速度u多大？多大？ 若按伽利略變換，則若按伽利略變換，則u=u+v=1.81.8c。這不可能，錯(cuò)。這不可能，錯(cuò)在何處？原來(lái)是該用洛倫茲變換了。對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)，在何處？原來(lái)是該用洛倫茲變換了。對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)，很易證明很易證明2cvuv1uu對(duì)上述例子，有對(duì)上述例子，有cccccu9945. 0)9 . 0)(9 . 019 . 09 . 02c(物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論8.3 8.3 質(zhì)量隨速度而增大質(zhì)量隨速度而增大 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系 上面討論了相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)，現(xiàn)在

31、有必要轉(zhuǎn)入動(dòng)力學(xué)討上面討論了相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)，現(xiàn)在有必要轉(zhuǎn)入動(dòng)力學(xué)討論。論。 一、質(zhì)-能等價(jià)關(guān)系的導(dǎo)出以及動(dòng)力學(xué)基本方程 1 1愛(ài)因斯坦的大膽猜測(cè)愛(ài)因斯坦的大膽猜測(cè) 熱力學(xué)告訴我們，熱力學(xué)告訴我們，“內(nèi)能內(nèi)能”與物體的與物體的質(zhì)量質(zhì)量是成是成正正比比的，據(jù)此愛(ài)因斯坦的，據(jù)此愛(ài)因斯坦大膽猜測(cè)大膽猜測(cè)：一個(gè)物體的質(zhì)量與它：一個(gè)物體的質(zhì)量與它所含的全部能量所含的全部能量成正比成正比。根據(jù)量綱分析，可猜測(cè)比例。根據(jù)量綱分析，可猜測(cè)比例常數(shù)等于常數(shù)等于c2，對(duì)一個(gè)質(zhì)量為，對(duì)一個(gè)質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)速度為運(yùn)動(dòng)速度為v的粒子，的粒子，總能量為：總能量為：2mcE 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)

32、論相對(duì)論 下面將進(jìn)一步論證。下面將進(jìn)一步論證。 對(duì)一個(gè)靜止質(zhì)量為對(duì)一個(gè)靜止質(zhì)量為m0的粒子，有的粒子，有靜止能量靜止能量： 對(duì)這個(gè)粒子，經(jīng)典力學(xué)早就知道，低速運(yùn)動(dòng)粒子對(duì)這個(gè)粒子，經(jīng)典力學(xué)早就知道，低速運(yùn)動(dòng)粒子的的動(dòng)能動(dòng)能等于等于 ，此動(dòng)能應(yīng)視為粒子，此動(dòng)能應(yīng)視為粒子能量的增量能量的增量 E E，考慮到對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的粒子，增量還不止這些?？紤]到對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的粒子，增量還不止這些。則則 總能量總能量200cmE 2021vm202020221vmcmEcmmcE 質(zhì)量的關(guān)系。質(zhì)量的關(guān)系。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 2 2動(dòng)力學(xué)基本方程動(dòng)力學(xué)基本方程 由上面可以進(jìn)一步

33、猜測(cè)由上面可以進(jìn)一步猜測(cè) 動(dòng)質(zhì)量動(dòng)質(zhì)量)21 (1220220cmcmmvv2020221vmcmmcE2201cmmpvvv物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論由上面式子可得：由上面式子可得：420222cmcpE還可定義狹義相對(duì)論下的動(dòng)能還可定義狹義相對(duì)論下的動(dòng)能 T 為為： 202cmmcT3 3上面這些式子他猜對(duì)了否？上面這些式子他猜對(duì)了否？ 通過(guò)一個(gè)粒子吸收一個(gè)光子的實(shí)例，可以論證（具體通過(guò)一個(gè)粒子吸收一個(gè)光子的實(shí)例，可以論證（具體從略），他猜對(duì)了。從略），他猜對(duì)了。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論二、核的聚變和裂變二、核的聚變

34、和裂變 太陽(yáng)能太陽(yáng)能 原子能原子能 通常講的原子能就是指聚變和裂變過(guò)程中所釋放的通常講的原子能就是指聚變和裂變過(guò)程中所釋放的能量。能量。1核的聚變核的聚變 輕核聚合成較重的核而釋放出能量的過(guò)程稱為輕核輕核聚合成較重的核而釋放出能量的過(guò)程稱為輕核聚變。聚變。 例如先看一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子例如先看一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)較重的氘核，它將釋放出結(jié)合成一個(gè)較重的氘核，它將釋放出2.224 MeV的能量的能量（以（以 射線形式放出）射線形式放出）Dpn這個(gè)能量稱為氘核的結(jié)合能。這個(gè)能量稱為氘核的結(jié)合能。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論

35、實(shí)際對(duì)每個(gè)核，當(dāng)其中這些質(zhì)子和中子，由于吸實(shí)際對(duì)每個(gè)核，當(dāng)其中這些質(zhì)子和中子，由于吸引相互結(jié)合在一起成為一個(gè)原子核的過(guò)程中都有能量引相互結(jié)合在一起成為一個(gè)原子核的過(guò)程中都有能量放出，這個(gè)能量就是這個(gè)核的結(jié)合能。放出，這個(gè)能量就是這個(gè)核的結(jié)合能。 實(shí)際結(jié)合能的計(jì)算很簡(jiǎn)單，利用質(zhì)能關(guān)系，可得實(shí)際結(jié)合能的計(jì)算很簡(jiǎn)單，利用質(zhì)能關(guān)系，可得22p2n)D(cmcmcmE實(shí)際要用原子質(zhì)量計(jì)算，可改為實(shí)際要用原子質(zhì)量計(jì)算，可改為221n)H()H(cmmmE物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論常用的聚變反應(yīng)有下面常用的聚變反應(yīng)有下面4 4個(gè)：個(gè)： MeV 3.27nHeDD32MeV

36、 04. 4pHDD31MeV 8 . 71nHeDH4231MeV 4 . 81pHeDHe42322 2太陽(yáng)能太陽(yáng)能 對(duì)輕原子核聚變反應(yīng)的研究，可以追溯到對(duì)輕原子核聚變反應(yīng)的研究，可以追溯到2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代對(duì)太陽(yáng)的研究。年代對(duì)太陽(yáng)的研究。19381938年，物理學(xué)家證明，太陽(yáng)里進(jìn)年，物理學(xué)家證明，太陽(yáng)里進(jìn)行的氫核聚變成氮核的反應(yīng)，使它還能光芒萬(wàn)丈地燃燒行的氫核聚變成氮核的反應(yīng)，使它還能光芒萬(wàn)丈地燃燒幾十億年。幾十億年。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 太陽(yáng)能來(lái)自太陽(yáng)中氫核不斷發(fā)生聚變反應(yīng)的結(jié)果。太陽(yáng)能來(lái)自太陽(yáng)中氫核不斷發(fā)生聚變反應(yīng)的結(jié)果。忽略反應(yīng)細(xì)

37、節(jié)，從總的結(jié)果看，可寫(xiě)為：忽略反應(yīng)細(xì)節(jié)，從總的結(jié)果看，可寫(xiě)為：MeV) (24.692e2Hep442QQ值計(jì)算見(jiàn)教材。值計(jì)算見(jiàn)教材。 根據(jù)計(jì)算，可知聚變反應(yīng)引起的太陽(yáng)質(zhì)量減小根據(jù)計(jì)算，可知聚變反應(yīng)引起的太陽(yáng)質(zhì)量減小率只是率只是310-19/s，是很小的量。目前太陽(yáng)處于，是很小的量。目前太陽(yáng)處于“中中年年”，估計(jì)太陽(yáng)還有壽命，估計(jì)太陽(yáng)還有壽命50億年。億年。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 3. 3.核聚變能源有許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：核聚變能源有許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)： （1 1）能量巨大，核聚變比核裂變釋放出更多的能量。）能量巨大，核聚變比核裂變釋放出更多的能量。聚聚

38、變反應(yīng)中每個(gè)核子貢獻(xiàn)的能量是鈾變反應(yīng)中每個(gè)核子貢獻(xiàn)的能量是鈾235235的裂變反應(yīng)的四倍。的裂變反應(yīng)的四倍。 （2 2）資源豐富，重核裂變使用的主要原料是鈾，目前探）資源豐富，重核裂變使用的主要原料是鈾，目前探明的儲(chǔ)量?jī)H夠使用約明的儲(chǔ)量?jī)H夠使用約10001000年；而輕核聚變使用的燃料是年；而輕核聚變使用的燃料是海水中的氘，海水中的氘，1 1升海水能提取升海水能提取3030毫克氘，在聚變反應(yīng)中能毫克氘，在聚變反應(yīng)中能產(chǎn)生約等于產(chǎn)生約等于300300升汽油的能量，即升汽油的能量，即“1 1升海水約等于升海水約等于300300升升汽油汽油”，地球上海水中就有，地球上海水中就有4545萬(wàn)億噸氘，足夠

39、人類(lèi)使用萬(wàn)億噸氘，足夠人類(lèi)使用百億年。百億年。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 （3 3）成本低廉，）成本低廉，1 1千克氘的價(jià)格只為千克氘的價(jià)格只為1 1千克濃縮鈾的千克濃縮鈾的1/401/40。 （4 4）安全、無(wú)污染，核聚變不產(chǎn)生放射性污染物，萬(wàn)）安全、無(wú)污染，核聚變不產(chǎn)生放射性污染物，萬(wàn)一發(fā)生事故，反應(yīng)堆會(huì)自動(dòng)冷卻而停止反應(yīng)，不會(huì)發(fā)一發(fā)生事故，反應(yīng)堆會(huì)自動(dòng)冷卻而停止反應(yīng)，不會(huì)發(fā)生爆炸。生爆炸。 總之，受控核聚變的燃料取之不盡、用之不竭，總之，受控核聚變的燃料取之不盡、用之不竭，核聚變能源將是核聚變能源將是2121世紀(jì)最理想的世紀(jì)最理想的“長(zhǎng)壽長(zhǎng)壽”能源能源

40、物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 三、核裂變 重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等核而釋放能量的過(guò)程稱為重重核裂變?yōu)閮蓚€(gè)中等核而釋放能量的過(guò)程稱為重核裂變。核裂變。235U和和239Pu是常用的兩種裂變核，可用做反是常用的兩種裂變核，可用做反應(yīng)堆和原子彈中的核燃料。例如，一個(gè)概率較大的不應(yīng)堆和原子彈中的核燃料。例如，一個(gè)概率較大的不對(duì)稱裂變：對(duì)稱裂變：Q3nKBaUn89361445623592容易計(jì)算出：容易計(jì)算出：2n893614456223592n3K)(Ba)(U)(cmmmcmmQ即一次裂變約有即一次裂變約有180MeV可資利用的核能。可資利用的核能。MeV6 .173物

41、理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 核裂變有兩個(gè)重要特征：核裂變有兩個(gè)重要特征： 1 1裂變產(chǎn)物通常是一塊較重，一塊較輕，即不對(duì)稱裂變產(chǎn)物通常是一塊較重，一塊較輕，即不對(duì)稱裂變的概率大。裂變的概率大。 2 2裂變產(chǎn)物由于相比它們的穩(wěn)定核都是有多余電子裂變產(chǎn)物由于相比它們的穩(wěn)定核都是有多余電子的，所以都有的，所以都有- -放射性（壽命很長(zhǎng)），由于原子核常放射性（壽命很長(zhǎng)），由于原子核常處于激發(fā)態(tài)，所以有大量處于激發(fā)態(tài)，所以有大量 射線放出。因此對(duì)放射性射線放出。因此對(duì)放射性廢物的處理極為重要。廢物的處理極為重要。 由于可燃化石燃料（煤、石油等）貯藏已不多由于可燃化石燃料

42、（煤、石油等）貯藏已不多（估計(jì)煤可維持一二百年，石油、天然氣可維持半個(gè)（估計(jì)煤可維持一二百年，石油、天然氣可維持半個(gè)世紀(jì)），發(fā)展核能是非常必要的。世紀(jì)），發(fā)展核能是非常必要的。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論8.4 8.4 廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介 一、等效原理和廣義協(xié)變?cè)?1 1狹義相對(duì)論存在的缺陷狹義相對(duì)論存在的缺陷 狹義相對(duì)論改變了人們對(duì)時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)，狹義相對(duì)論改變了人們對(duì)時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)，是一個(gè)革命性的突破。是一個(gè)革命性的突破。但是但是所討論的各個(gè)參考系都只限于所討論的各個(gè)參考系都只限于慣性系慣性系，它們彼，它們彼此作勻速相對(duì)運(yùn)動(dòng)；此作勻速相對(duì)運(yùn)動(dòng)；另外

43、，狹義相對(duì)論另外，狹義相對(duì)論未能未能解決解決引力引力問(wèn)題，萬(wàn)有引力定問(wèn)題，萬(wàn)有引力定律無(wú)法納入相對(duì)論，因此律無(wú)法納入相對(duì)論，因此愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦并不甘心。并不甘心。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 科學(xué)靈感是一種科學(xué)靈感是一種超邏輯超邏輯的科學(xué)思維，但是的科學(xué)思維，但是科學(xué)科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)新往往來(lái)自科學(xué)靈感。往往來(lái)自科學(xué)靈感。愛(ài)因斯坦日夜思考如何解決狹義相對(duì)論的不足。愛(ài)因斯坦日夜思考如何解決狹義相對(duì)論的不足?？墒撬f(shuō)：可是他說(shuō)：“有一天，轉(zhuǎn)機(jī)突然出現(xiàn)了。我坐在伯爾有一天，轉(zhuǎn)機(jī)突然出現(xiàn)了。我坐在伯爾尼專利局的椅子上，突然想到，尼專利局的椅子上，突然想到，如果一個(gè)人自由下如

44、果一個(gè)人自由下落，他會(huì)感覺(jué)不到他的體重。落，他會(huì)感覺(jué)不到他的體重。我很吃驚，這個(gè)簡(jiǎn)單我很吃驚，這個(gè)簡(jiǎn)單的推理實(shí)驗(yàn)對(duì)我影響至深，竟把我引向了引力理論。的推理實(shí)驗(yàn)對(duì)我影響至深，竟把我引向了引力理論。我我繼續(xù)設(shè)想繼續(xù)設(shè)想一個(gè)下落的人處于加速的情況一個(gè)下落的人處于加速的情況此時(shí)，他的感覺(jué)和判斷都是在此時(shí)，他的感覺(jué)和判斷都是在加速運(yùn)動(dòng)加速運(yùn)動(dòng)的的參考系參考系里發(fā)里發(fā)生的。我決定把生的。我決定把相對(duì)論相對(duì)論擴(kuò)展到擴(kuò)展到加速運(yùn)動(dòng)加速運(yùn)動(dòng)的的參考系參考系，我認(rèn)為這樣做我認(rèn)為這樣做可能可能同時(shí)解決引力問(wèn)題。同時(shí)解決引力問(wèn)題?！蔽锢砼c文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 2 2等效原理和廣義協(xié)

45、變?cè)淼刃г砗蛷V義協(xié)變?cè)?（1 1）等效原理等效原理：愛(ài)因斯坦關(guān)于把：愛(ài)因斯坦關(guān)于把慣性質(zhì)量慣性質(zhì)量和和引力質(zhì)量引力質(zhì)量等同起來(lái)，或把等同起來(lái)，或把加速度加速度與與引力場(chǎng)引力場(chǎng)等同起來(lái)的假設(shè)，稱等同起來(lái)的假設(shè)，稱為等效原理，它是建立在廣義相對(duì)論上的一個(gè)基本原為等效原理，它是建立在廣義相對(duì)論上的一個(gè)基本原理。這個(gè)原理的提出，可通過(guò)按愛(ài)因斯坦想法所做的理。這個(gè)原理的提出，可通過(guò)按愛(ài)因斯坦想法所做的兩個(gè)假想實(shí)驗(yàn)兩個(gè)假想實(shí)驗(yàn)來(lái)看。來(lái)看。 先假設(shè)你先假設(shè)你乘電梯乘電梯情況，腳下放一情況，腳下放一磅秤磅秤。當(dāng)電梯向。當(dāng)電梯向上加速（上加速（a向上）時(shí)，你會(huì)感受到一個(gè)向下的慣性力向上）時(shí)，你會(huì)感受到一個(gè)

46、向下的慣性力Finertial=-ma，磅秤讀數(shù)為，磅秤讀數(shù)為magmF其中其中m為引力質(zhì)量，為引力質(zhì)量，m為慣性質(zhì)量。當(dāng)電梯向下加速時(shí)，為慣性質(zhì)量。當(dāng)電梯向下加速時(shí)，磅秤讀數(shù)為磅秤讀數(shù)為magmF物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 假想吊電梯的鋼索突然斷裂，電梯與人假想吊電梯的鋼索突然斷裂，電梯與人一起自由下落，此時(shí)磅秤讀數(shù)為一起自由下落，此時(shí)磅秤讀數(shù)為0 0，這意味著，這意味著慣性質(zhì)量慣性質(zhì)量 m 等于引力質(zhì)量等于引力質(zhì)量 m 。按牛頓力學(xué)，按牛頓力學(xué)，m 定義來(lái)自運(yùn)動(dòng)定律，定義來(lái)自運(yùn)動(dòng)定律，m 定義來(lái)定義來(lái)自萬(wàn)有引力定律。自萬(wàn)有引力定律。愛(ài)因斯坦把兩者相等性作

47、為廣義相對(duì)論的一個(gè)基愛(ài)因斯坦把兩者相等性作為廣義相對(duì)論的一個(gè)基本原理提出來(lái)。本原理提出來(lái)。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 同樣，觀察者在同樣，觀察者在密封密封的電梯內(nèi)，的電梯內(nèi)，看不到看不到電梯外的電梯外的情況。若電梯停止時(shí)，觀察者可看到自由的物體在引情況。若電梯停止時(shí)，觀察者可看到自由的物體在引力場(chǎng)中以加速度力場(chǎng)中以加速度 g 落向電梯底部。落向電梯底部。假如電梯在假如電梯在沒(méi)有引力場(chǎng)沒(méi)有引力場(chǎng)的太空中以加速度的太空中以加速度g 向上運(yùn)動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，他，他也會(huì)看到自由物體以加速度也會(huì)看到自由物體以加速度g落向電梯底部。落向電梯底部。觀察者看到的觀察者看到的都是都

48、是自由物體自由物體落向底部落向底部，但前者是，但前者是引力效引力效應(yīng)應(yīng)，后者是，后者是慣性力效應(yīng)慣性力效應(yīng)。若若引力質(zhì)量引力質(zhì)量等于等于慣性質(zhì)量慣性質(zhì)量時(shí)，觀察者時(shí)，觀察者不可能不可能通過(guò)任何力通過(guò)任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)判別電梯判別電梯是停在引力場(chǎng)的地面，還是在無(wú)引是停在引力場(chǎng)的地面，還是在無(wú)引力場(chǎng)的太空中加速運(yùn)動(dòng)。力場(chǎng)的太空中加速運(yùn)動(dòng)。由此實(shí)驗(yàn)可理解由此實(shí)驗(yàn)可理解加速度加速度與與引力場(chǎng)引力場(chǎng)的的等同性等同性。當(dāng)然這里要。當(dāng)然這里要指出，這種等同性只是在局部范圍內(nèi)有效。指出，這種等同性只是在局部范圍內(nèi)有效。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 （2 2）廣義協(xié)變?cè)恚?/p>

49、廣義相對(duì)性原理）廣義協(xié)變?cè)恚◤V義相對(duì)性原理） 作為相對(duì)性原理的推廣，廣義相對(duì)性原理可作為相對(duì)性原理的推廣，廣義相對(duì)性原理可以表述為以表述為“廣義協(xié)變?cè)韽V義協(xié)變?cè)怼保何锢矸匠淘谝话愕囊?chǎng)中也成立物理方程在一般的引力場(chǎng)中也成立。嚴(yán)格講這里嚴(yán)格講這里“成立成立”是指滿足兩個(gè)條件：是指滿足兩個(gè)條件： 此方程在無(wú)引力場(chǎng)時(shí)與狹義相對(duì)論的定律形式此方程在無(wú)引力場(chǎng)時(shí)與狹義相對(duì)論的定律形式一致。一致。 此方程是協(xié)變的，即在一般坐標(biāo)變換此方程是協(xié)變的，即在一般坐標(biāo)變換（x,y,z,tx,y,z,t）下保持它的形式不變。下保持它的形式不變。 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論二、

50、有引力場(chǎng)的空間二、有引力場(chǎng)的空間- -時(shí)間是彎曲的時(shí)間是彎曲的1 1彎曲空間（黎曼幾何）的特點(diǎn)彎曲空間（黎曼幾何）的特點(diǎn) 在狹義相對(duì)論中認(rèn)為時(shí)、空相互在狹義相對(duì)論中認(rèn)為時(shí)、空相互關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)，不再獨(dú)，不再獨(dú)立，是立，是一個(gè)整體一個(gè)整體，稱為，稱為四維空間四維空間。 有引力場(chǎng)的空間有引力場(chǎng)的空間- -時(shí)間（四維空間）是時(shí)間（四維空間）是彎曲彎曲的。的。 如何理解有曲率的如何理解有曲率的四維空間四維空間，這是，這是很難想象很難想象的。的。事實(shí)上，三維空間有彎曲，也已經(jīng)難以想象了。只事實(shí)上，三維空間有彎曲，也已經(jīng)難以想象了。只能回到能回到二維空間二維空間去理解什么是彎曲（不平坦）。去理解什么是彎曲（不平

51、坦）。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 舉例：舉例：二維彎曲球面二維彎曲球面。所謂二維指只需兩個(gè)數(shù)。所謂二維指只需兩個(gè)數(shù)（經(jīng)度和緯度）就可以標(biāo)定球面上一點(diǎn)。對(duì)二維球面，（經(jīng)度和緯度）就可以標(biāo)定球面上一點(diǎn)。對(duì)二維球面，已不是平直空間，與平直的歐氏（歐幾里德）空間有已不是平直空間，與平直的歐氏（歐幾里德）空間有不同的特點(diǎn)。前者用黎曼幾何描述，后者用歐幾里德不同的特點(diǎn)。前者用黎曼幾何描述，后者用歐幾里德幾何描述，兩者不同點(diǎn)見(jiàn)下表。幾何描述，兩者不同點(diǎn)見(jiàn)下表?？臻g空間曲率曲率平行線平行線三角形內(nèi)三角形內(nèi)角之和角之和圓周率圓周率例例兩點(diǎn)間兩點(diǎn)間最短線最短線黎曼幾何黎曼幾何正

52、正無(wú)無(wú)180 球面球面不是直線不是直線歐幾里德歐幾里德幾何幾何零零一條一條=180 = 平面平面直線直線物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 2 2萬(wàn)有引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)萬(wàn)有引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn) 愛(ài)因斯坦推測(cè)愛(ài)因斯坦推測(cè)引力效應(yīng)引力效應(yīng)可能是一種可能是一種幾何效應(yīng)幾何效應(yīng)。萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力不是一般的力，而是不是一般的力，而是時(shí)空彎曲時(shí)空彎曲的的表現(xiàn)表現(xiàn)。 由于引力與質(zhì)量有關(guān)，所以由于引力與質(zhì)量有關(guān)，所以時(shí)空彎曲時(shí)空彎曲與與物質(zhì)物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)的存在和運(yùn)動(dòng)有關(guān)。舉如下一個(gè)形象的例子說(shuō)明。有關(guān)。舉如下一個(gè)形象的例子說(shuō)明。物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命

53、相對(duì)論相對(duì)論 假使有假使有4 4個(gè)人各拉緊床單的一角，床單這個(gè)二維空間就是個(gè)人各拉緊床單的一角，床單這個(gè)二維空間就是平坦的。平坦的。放一個(gè)小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會(huì)保持靜止或勻速放一個(gè)小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會(huì)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（假定摩擦力可忽略）。直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（假定摩擦力可忽略）。如果在床單中央放一大球，床單就會(huì)凹下去，這個(gè)二維空間就彎如果在床單中央放一大球，床單就會(huì)凹下去，這個(gè)二維空間就彎曲了。曲了。 這時(shí)如果再放一個(gè)小玻璃球在床單上，它就會(huì)滾向中這時(shí)如果再放一個(gè)小玻璃球在床單上，它就會(huì)滾向中央的大球。央的大球。按牛頓觀點(diǎn)，這是由于大球用按牛頓觀點(diǎn)，這是由于大球

54、用“萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力”吸引小球。吸引小球。按愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不存在按愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不存在什么什么“引力引力”，小球落向大球乃是彎曲空間中的自由（慣性），小球落向大球乃是彎曲空間中的自由（慣性）運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。這時(shí)如果給小球一個(gè)橫向速度，它就會(huì)繞大球轉(zhuǎn)起來(lái)。按牛頓觀這時(shí)如果給小球一個(gè)橫向速度，它就會(huì)繞大球轉(zhuǎn)起來(lái)。按牛頓觀點(diǎn)，這是由于小球受大球引力而沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。按愛(ài)因斯坦點(diǎn)，這是由于小球受大球引力而沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。按愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)，小球并未受到任何力，只是在彎曲空間中做自由運(yùn)動(dòng)。觀點(diǎn)，小球并未受到任何力，只是在彎曲空間中做自由運(yùn)動(dòng)。

55、物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 注意到，上面比喻僅僅注意到，上面比喻僅僅是直觀的講了彎曲空間，實(shí)是直觀的講了彎曲空間，實(shí)際廣義相對(duì)論說(shuō)的是四維際廣義相對(duì)論說(shuō)的是四維“時(shí)空時(shí)空”的彎曲。的彎曲。太陽(yáng)的存在，使四維時(shí)空彎曲太陽(yáng)的存在，使四維時(shí)空彎曲了。了。行星繞日運(yùn)動(dòng)就是在彎曲時(shí)空行星繞日運(yùn)動(dòng)就是在彎曲時(shí)空中的慣性運(yùn)動(dòng)。中的慣性運(yùn)動(dòng)。按此觀點(diǎn)，早年，伽利略所認(rèn)按此觀點(diǎn)，早年，伽利略所認(rèn)為的行星繞日運(yùn)動(dòng)也是慣性為的行星繞日運(yùn)動(dòng)也是慣性運(yùn)動(dòng)的想法，其實(shí)是正確而運(yùn)動(dòng)的想法，其實(shí)是正確而深刻的。深刻的。 物理與文化第八章第八章 時(shí)空觀的革命時(shí)空觀的革命 相對(duì)論相對(duì)論 3 3

56、彎曲時(shí)空幾何等同于引力場(chǎng)物理彎曲時(shí)空幾何等同于引力場(chǎng)物理 愛(ài)因斯坦所給出的愛(ài)因斯坦所給出的廣義相對(duì)論基本方程廣義相對(duì)論基本方程，又稱愛(ài)因，又稱愛(ài)因斯坦斯坦場(chǎng)方程場(chǎng)方程。此方程把此方程把幾何學(xué)幾何學(xué)與與引力論引力論融合為一個(gè)整體，把融合為一個(gè)整體，把時(shí)空時(shí)空與與物質(zhì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)融合為一個(gè)整體。融合為一個(gè)整體。在場(chǎng)方程中把反映在場(chǎng)方程中把反映時(shí)空曲率時(shí)空曲率的量與聯(lián)系物質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)的的量與聯(lián)系物質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)的量（量（能量和動(dòng)量能量和動(dòng)量）聯(lián)系起來(lái)了。場(chǎng)方程是由一組非線性）聯(lián)系起來(lái)了。場(chǎng)方程是由一組非線性偏微分方程組成。方程中包含了萬(wàn)有引力常數(shù)偏微分方程組成。方程中包含了萬(wàn)有引力常數(shù)G和光速和光速c，自然的引入了物質(zhì)引力對(duì)時(shí)空的影響。方程求解很，自然的引入了物質(zhì)引力對(duì)時(shí)空的影響。方程求解很困難，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)求得一些近似解，提出了三個(gè)檢驗(yàn)困難，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)求得一些近似解，提出了三