愛因斯坦、霍金與相對論的發(fā)展

1、 主講：北京師范大學(xué)主講：北京師范大學(xué) 趙崢教授趙崢教授 20042004年年1010月北師大月北師大0404屆博士政治課講座屆博士政治課講座物含妙理總勘尋物含妙理總勘尋 頤和園銅亭頤和園銅亭19431943年年8 8月出生于四川成都。月出生于四川成都。19671967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，19811981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位（導(dǎo)師劉遼教授），年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位（導(dǎo)師劉遼教授），19871987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位（導(dǎo)師普利高津教授，諾貝爾獎金獲得者）。（導(dǎo)師普利高津教授，諾貝爾獎金獲得者）。曾

2、任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任?，F(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，現(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師，教育學(xué)博士生導(dǎo)師，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長。中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長。趙崢教授趙崢教授趙崢教授長期從事理論物理的教學(xué)與研究，趙崢教授長期從事理論物理的教學(xué)與研究，為本科生和研究生講授過統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、近代物理為本科生和研究生講授過統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、近代物理學(xué)進展、物理學(xué)史、廣義相對論、黑洞物理學(xué)和彎曲時空學(xué)進展、物理學(xué)史、廣義相對論、黑洞物理學(xué)和彎曲時空量子場論等課程。量

3、子場論等課程。參加和承擔(dān)過多項國家自然科學(xué)基金項目，在相對論、黑參加和承擔(dān)過多項國家自然科學(xué)基金項目，在相對論、黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100100余篇，余篇，在黑洞熱性質(zhì)、時空奇點、鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方在黑洞熱性質(zhì)、時空奇點、鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性的工作。面有創(chuàng)新性的工作。19861986年、年、19961996年兩次獲國家教委科技進步二等獎年兩次獲國家教委科技進步二等獎。主要著作有主要著作有黑洞的熱性質(zhì)與時空奇異性黑洞的熱性質(zhì)與時空奇異性、黑洞黑洞與彎曲的時空與彎曲的時空，科普著作有科普著作有探求上帝的秘密探求上帝的秘密- -從哥白尼到愛因斯從哥白尼到

4、愛因斯坦坦、物理學(xué)與人類文明物理學(xué)與人類文明，其中，其中黑洞的熱性質(zhì)黑洞的熱性質(zhì)與時空奇異性與時空奇異性和和探求上帝的秘密探求上帝的秘密分獲第分獲第1111屆和屆和第第1212屆中國圖書獎。屆中國圖書獎。趙崢教授長期為學(xué)科教學(xué)論專業(yè)的研究生、課程班學(xué)趙崢教授長期為學(xué)科教學(xué)論專業(yè)的研究生、課程班學(xué)生、教育碩士講授生、教育碩士講授“近代物理概論近代物理概論”、“愛因斯坦與愛因斯坦與霍金的宇宙霍金的宇宙”等課程。等課程。20002000年開始擔(dān)任國家教育部中學(xué)年開始擔(dān)任國家教育部中學(xué)科學(xué)課程標(biāo)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)研制組組長，研制組組長，20012001年開始主持編寫初中年開始主持編寫初中科學(xué)科學(xué)試驗教材，

5、該教材已開始在部分地區(qū)試用。試驗教材，該教材已開始在部分地區(qū)試用。 1642年年1月月8日，伽利略逝世，日，伽利略逝世， 同年圣誕節(jié)牛頓誕生同年圣誕節(jié)牛頓誕生愛因斯坦（愛因斯坦（1879年年3月月14日日1955年年4月月18日）日）霍金（霍金（1942年年2月月18日）日）伽利略逝世伽利略逝世300周年的那一天霍金誕生了周年的那一天霍金誕生了相對論（狹義相對論）：相對論（狹義相對論）：1905年年廣義相對論：廣義相對論：1915年年明年是相對論發(fā)表明年是相對論發(fā)表100周年，愛因斯坦逝世周年，愛因斯坦逝世50周年周年 謹(jǐn)以本講座做為紀(jì)念活動的前奏！ 愛因斯坦生平愛因斯坦生平：1879年年3月

6、月14日日 誕生于德國烏爾姆誕生于德國烏爾姆 中小學(xué)時代中小學(xué)時代 德國慕尼黑德國慕尼黑1895年年 瑞士阿勞中學(xué)補習(xí)班一年瑞士阿勞中學(xué)補習(xí)班一年18961900年年 蘇黎世工業(yè)大學(xué)蘇黎世工業(yè)大學(xué)19021909年年 伯爾尼發(fā)明專利局伯爾尼發(fā)明專利局19091914年年 進入大學(xué)工作進入大學(xué)工作 （瑞士、布拉格等地）（瑞士、布拉格等地）19141933年年 德國物理研究所所長，德國物理研究所所長， 柏林大學(xué)教授，院士柏林大學(xué)教授，院士1915年年 提出廣義相對論提出廣義相對論19331955年年 美國普林斯頓大學(xué)高級研究所美國普林斯頓大學(xué)高級研究所 科研情況（發(fā)表論文）：科研情況（發(fā)表論文）：

7、19011901年發(fā)表論文年發(fā)表論文1 1篇篇19021902年發(fā)表論文年發(fā)表論文2 2篇篇19031903年發(fā)表論文年發(fā)表論文1 1篇篇19041904年發(fā)表論文年發(fā)表論文1 1篇篇19051905年發(fā)表論文年發(fā)表論文5 5篇篇測定分子的大?。ú┦空撐模y定分子的大?。ú┦空撐模┎祭蔬\動布朗運動相對論相對論Emc2光子說光子說相對論（狹義相對論相對論（狹義相對論 Special RelativitySpecial Relativity） 光是電磁波，是以太的波動光是電磁波，是以太的波動理論上的困難理論上的困難麥克斯韋電磁理論麥克斯韋電磁理論作為相對性原作為相對性原理表達式的伽理表達式的伽利略

8、變換利略變換 光速對不同參光速對不同參考系應(yīng)不同，考系應(yīng)不同，不應(yīng)是同一個不應(yīng)是同一個C值值光速光速C是一個常數(shù)是一個常數(shù)實驗上的困難實驗上的困難地球相對于以太運動嗎？地球相對于以太運動嗎？光行差現(xiàn)象：地球相對以太有運動光行差現(xiàn)象：地球相對以太有運動ees光光鏡筒指向下雨鏡筒運動vv邁克爾遜實驗：未測到以太漂移（邁克爾遜實驗：未測到以太漂移（1887年）年）M2M1觀測者洛倫茲等人為解釋邁克爾遜實驗提出（洛倫茲等人為解釋邁克爾遜實驗提出（1892年）年）洛倫茲收縮洛倫茲收縮2201cvLLx=x-vty=yz=zt=t221cvvtx2221cvxcvtx=y=yz=zt=洛倫茲變換洛倫茲變換

9、伽利略變換伽利略變換洛倫茲的觀點洛倫茲的觀點放棄相對性原理放棄相對性原理麥克斯韋電磁理論只對絕對空間正確麥克斯韋電磁理論只對絕對空間正確（光相對絕對空間的速度是（光相對絕對空間的速度是c c）存在洛倫茲收縮存在洛倫茲收縮用洛倫茲變換取代伽利略變換用洛倫茲變換取代伽利略變換（兩種變換不僅數(shù)學(xué)形式不同，而且物理解釋（兩種變換不僅數(shù)學(xué)形式不同，而且物理解釋也不同）也不同）1905年愛因斯坦在不知道洛倫茲工作的情況下年愛因斯坦在不知道洛倫茲工作的情況下 光行差現(xiàn)象光行差現(xiàn)象 斐索實驗斐索實驗 （邁克爾遜實驗）（邁克爾遜實驗）從從 相對論原理相對論原理 光速不變原理光速不變原理愛因斯坦的理論受到洛倫茲的

10、反對，愛因斯坦的理論受到洛倫茲的反對，洛倫茲稱其為相對論洛倫茲稱其為相對論洛倫茲變換洛倫茲變換考慮考慮相對論提出相對論提出動尺收縮，動尺收縮，動鐘變慢，動鐘變慢，雙生子佯謬，雙生子佯謬，2mCE 2、廣義相對論（、廣義相對論（General Relativity）1）狹義相對論的兩個困難）狹義相對論的兩個困難2）廣義相對論的物理基礎(chǔ)）廣義相對論的物理基礎(chǔ)3）廣義相對論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）廣義相對論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)4）廣義相對論的核心）廣義相對論的核心5）實驗驗證）實驗驗證1 1）狹義相對論的兩個困難）狹義相對論的兩個困難慣性系無法定義慣性系無法定義萬有引力定律納不進相對論框架萬有引力定律納不進相對論框架2

11、2）廣義相對論的物理基礎(chǔ)）廣義相對論的物理基礎(chǔ)廣義相對性原理廣義相對性原理等效原理等效原理馬赫原理馬赫原理空間曲空間曲率率平行線平行線三角形三角形三內(nèi)角三內(nèi)角之和之和圓周率圓周率舉例舉例黎氏幾何黎氏幾何正正無無1800球面球面歐氏幾何歐氏幾何零零一條一條1800平面平面羅氏幾何羅氏幾何負(fù)負(fù)兩條以兩條以上上偽球面?zhèn)吻蛎鏆W氏幾何、羅氏幾何（鮑耶、高斯、羅巴切夫歐氏幾何、羅氏幾何（鮑耶、高斯、羅巴切夫斯基）、黎氏幾何斯基）、黎氏幾何3 3）廣義相對論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）廣義相對論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ): :黎曼幾何與張量分析黎曼幾何與張量分析4 4）廣義相對論的核心）廣義相對論的核心場方程場方程 運動方程運動方程萬有引

12、力不是真正的力，是萬有引力不是真正的力，是時空彎曲的表現(xiàn)時空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運動行星繞日運動 時空曲率 物質(zhì) 物質(zhì)使時空彎曲物質(zhì)使時空彎曲 測地線方程 （伽利略的有（伽利略的有趣趣“錯誤錯誤”）地球上的自由落體運動地球上的自由落體運動都是慣性運動都是慣性運動TRgR210222dsdxdsdxdsxdn5 5）實驗驗證）實驗驗證引力紅移、引力紅移、光線偏折、光線偏折、行星軌道近日點的進動行星軌道近日點的進動3 3、膨脹的宇宙、膨脹的宇宙1915年 廣義相對論1917年 愛因斯坦：有限無邊均勻靜態(tài)宇宙1922年 弗利德曼：膨脹或脈動的宇宙1929年 哈勃定律：VHD1948年 、的大爆炸模型（

13、伽莫夫）1965年 發(fā)現(xiàn)微波背景輻射（彭齊亞斯、威爾遜）1979年 古斯（A.Guth）暴脹模型宇宙項： 宇宙項 （1917年提出，1923年放棄）TRgR21 48CGgTgRgR21亮星亮星 0.5 重子重子 4 中微子中微子 0.3 冷暗物質(zhì)冷暗物質(zhì) 29 起源于起源于 動力學(xué)暗能量動力學(xué)暗能量 GR在宇觀尺度失效在宇觀尺度失效物物質(zhì)質(zhì)暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)暗物質(zhì) 暗能量暗能量65rGMm212mcr22cGM4 4、黑洞、黑洞1 1）從牛頓理論預(yù)言（）從牛頓理論預(yù)言（200200年前，拿破侖時代）年前，拿破侖時代）米歇爾（米歇爾（17831783） 拉普拉斯（拉普拉斯（17

14、961796） 最亮的星有可能是看不見的最亮的星有可能是看不見的 ( 暗星暗星)天體力學(xué)天體力學(xué)第一版（第一版（1796年）、年）、第二版（第二版（1799年）、年）、第三版（第三版（1808年）年） 第三版中去掉第三版中去掉“暗星暗星”的預(yù)言的預(yù)言原因：原因：18011801年托馬斯年托馬斯楊完成干涉實驗，楊完成干涉實驗，光的波動說（惠更斯）戰(zhàn)勝微粒說（牛頓）光的波動說（惠更斯）戰(zhàn)勝微粒說（牛頓）神童、奇才托馬斯神童、奇才托馬斯楊（楊（Thoms Young）英國人英國人2 2）從廣義相對論預(yù)言）從廣義相對論預(yù)言1916年年 史瓦西解，史瓦西時空中的奇點與奇面史瓦西解，史瓦西時空中的奇點與奇

15、面1939年奧本海默從年奧本海默從GR預(yù)言黑洞，預(yù)言黑洞，r=(靜態(tài)，球?qū)ΨQ靜態(tài)，球?qū)ΨQ)（遭到愛因斯坦（遭到愛因斯坦, 愛丁頓，惠勒等人反對）愛丁頓，惠勒等人反對）當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星（天狼當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星（天狼B星）并已預(yù)言了中子星）并已預(yù)言了中子星（星（1932年朗道）年朗道） 22cGM3 3）白矮星與中子星）白矮星與中子星A、天狼星（大犬座、天狼星（大犬座）天空中最亮的恒星，）天空中最亮的恒星，距我們距我們9光年光年青云衣兮白霓裳，舉長矢兮射天狼。操余弧兮反淪降，援北斗兮酌桂漿。 屈原九歌（七）東君老夫聊發(fā)少年狂，左牽黃，右擎蒼。錦帽貂裘，千騎卷平岡。欲報傾城隨太守，親射虎，看孫郎。

16、 酒酣胸膽尚開張，鬢微霜，又何妨！持節(jié)云中，何日遣馮唐？會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼。 蘇東坡江城子 密州出獵 18341834年發(fā)現(xiàn)天狼星位置有周期性變化年發(fā)現(xiàn)天狼星位置有周期性變化天狼天狼B星是白矮星，密度星是白矮星，密度175kgcm3，表面，表面溫度溫度1萬度萬度1862年發(fā)現(xiàn)天狼伴星（年發(fā)現(xiàn)天狼伴星（B 星）星）白矮星靠電子間泡力斥力支撐。白矮星靠電子間泡力斥力支撐。錢德拉塞卡：相對論性電子氣；錢德拉塞卡：相對論性電子氣；白矮星質(zhì)量上限白矮星質(zhì)量上限1.4M 錢德拉塞卡與愛丁頓的爭論，泡力的觀點錢德拉塞卡與愛丁頓的爭論，泡力的觀點B、中子星與奧本海默極限、中子星與奧本海默極限中子的

17、發(fā)現(xiàn)：中子的發(fā)現(xiàn)： 約里奧約里奧居里夫婦（居里夫婦（1931年）年） 查德維克（查德維克（1932年）年） 1935年的諾貝爾物理獎與化學(xué)獎年的諾貝爾物理獎與化學(xué)獎中子的預(yù)言：中子的預(yù)言： 1932年郎道年郎道 中子星的質(zhì)量上限中子星的質(zhì)量上限 23M： 1939年奧本海默年奧本海默中子星中子星(脈沖星脈沖星)的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 1967年年 休伊士與貝爾休伊士與貝爾 巡天觀測，巡天觀測， “小綠人小綠人”C、主序星、白矮星、中子星與黑洞的比較、主序星、白矮星、中子星與黑洞的比較星體星體半徑半徑( (公里公里) )密度密度(/cm(/cm3 3) )發(fā)現(xiàn)時間發(fā)現(xiàn)時間質(zhì)量上限質(zhì)量上限（MM）太陽太陽7

18、070萬萬1 1克克白矮白矮星星1 1萬萬1 1噸噸18621862年（天狼年（天狼伴星）伴星）1.41.4中子中子星星10101010億億噸噸19671967年（脈沖年（脈沖星）星）2 23 3黑洞黑洞3 3100100億噸億噸4 4）黑洞研究的高速發(fā)展（）黑洞研究的高速發(fā)展（1963-19741963-1974）1961 年年 Kerr解解 轉(zhuǎn)動、軸對稱時空轉(zhuǎn)動、軸對稱時空1964年年 奇性定理奇性定理1967年年 中子星的發(fā)現(xiàn)、無毛定理中子星的發(fā)現(xiàn)、無毛定理1971年年 面積定理面積定理1972年年1974年年 黑洞熱力學(xué)黑洞熱力學(xué)1974年年 霍金輻射霍金輻射80年代后年代后 無重大進

19、展無重大進展A A、黑洞熱力學(xué)的建立（主要幾步）、黑洞熱力學(xué)的建立（主要幾步）無毛定理，無毛定理，M，Q，J （1967年，伊斯雷爾等）年，伊斯雷爾等）面積定理面積定理 （1971年年 ，霍金），霍金）黑洞面積就是熵黑洞面積就是熵 （1972年，年， 貝根斯坦）貝根斯坦）A 0 ,即即S 0Bekenstein 公式：公式：轉(zhuǎn)動帶電剛體：轉(zhuǎn)動帶電剛體：普通熱力學(xué)普通熱力學(xué) 霍金等人反對，但給出黑洞力學(xué)四定律霍金等人反對，但給出黑洞力學(xué)四定律 （1973年）年）Unruh效應(yīng)：在真空中做勻加速直線運動的觀測效應(yīng)：在真空中做勻加速直線運動的觀測者，發(fā)現(xiàn)自己處于熱浴之中，者，發(fā)現(xiàn)自己處于熱浴之中，T

20、a 霍金輻射霍金輻射：黑洞通過量子隧道效應(yīng)產(chǎn)生熱輻射，：黑洞通過量子隧道效應(yīng)產(chǎn)生熱輻射，TKVdQdJdAKdM8VdQdJTdSdUPdVTdSdUB、關(guān)于奇點定理關(guān)于奇點定理黑洞與白洞的奇點、奇環(huán)，大爆炸宇宙的奇點黑洞與白洞的奇點、奇環(huán)，大爆炸宇宙的奇點卡拉特尼可夫與栗弗席茲的錯誤卡拉特尼可夫與栗弗席茲的錯誤彭若斯的工作，奇點看作時間的開始與結(jié)束。（彭若斯的工作，奇點看作時間的開始與結(jié)束。（1964年）年）霍金的工作，（彭若斯與霍金霍金的工作，（彭若斯與霍金 1969）奇性定理指出：時間一定有開始和結(jié)束。奇性定理指出：時間一定有開始和結(jié)束。此定理極為重要，但可能未做到頭，且首功屬于此定理極為重要，但可能未做到頭，且首功屬于Penrose.5 5、愛因斯坦、霍金在歷史上的地