相對(duì)論的建立和發(fā)展解析課件

1、第六章相對(duì)論的建立與發(fā)展 6.1 歷史背景6.2 愛(ài)因斯坦創(chuàng)建狹義相對(duì)論的經(jīng)過(guò)6.3 狹義相對(duì)論的遭遇和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)6.4 廣義相對(duì)論的建立6.5 廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)相對(duì)論會(huì)讓大家想到什么？天上一日地下一年？宇宙航行時(shí)空穿梭熱鍋上的螞蟻？ 相對(duì)論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域?！?德布羅意6.1歷史背景 相對(duì)論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。19世紀(jì)后半葉，光速的精確測(cè)定為光速的不變性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從電磁理論出發(fā)，光速的不變性是很自然的結(jié)論。然而這個(gè)結(jié)論卻與力學(xué)

2、中的伽利略變換抵觸。1.牛頓力學(xué)時(shí)空觀 絕對(duì)的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對(duì)象無(wú)關(guān)的流逝。牛頓 絕對(duì)空間，就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動(dòng)的。牛頓2、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)由于人們把“以太”選作絕對(duì)靜止的參照系，因此在19世紀(jì)，人們熱衷于尋找出地球相對(duì)于以太的絕對(duì)速度。1881年，美國(guó)人邁爾耳遜設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是卻得到“0”結(jié)果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然是“零結(jié)果”。根據(jù)這一結(jié)果，“以太”顯然是一廂情愿的設(shè)想，盡管不斷改進(jìn)，但結(jié)論卻相同。邁克爾遜 “以太”的概念最早出現(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的哲學(xué)原理一書(shū)

3、中。按笛卡爾的觀點(diǎn)，“虛空”是不可能存在的，整個(gè)宇宙充滿著一種易動(dòng)的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是“以太”。 17世紀(jì)，惠更斯也用了“以太”的說(shuō)法。 麥克斯韋也援用“以太”的概念。他把“以太”看成電磁場(chǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ),認(rèn)為電磁現(xiàn)象是“以太”運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。 3、真空中的光速根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，光速“c”應(yīng)為一常數(shù)，與牛頓力學(xué)的速度疊加法則相矛盾。 4、物理學(xué)家面臨的選擇要么對(duì)牛頓力學(xué)做一些顧此失彼的解釋?zhuān)扌扪a(bǔ)補(bǔ)，要么徹底拋棄，建立新的理論。 法國(guó)著名科學(xué)家龐加萊（Henri Poincar）對(duì)洛侖茲理論起過(guò)積極作用。他在1895年就對(duì)用長(zhǎng)度收縮假說(shuō)解釋以太漂移的零結(jié)果表示不同看法。 他提出了相對(duì)性原理的概念

4、，認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)該不隨坐標(biāo)系變化。他的批評(píng)促使洛侖茲提出時(shí)空變換的方程式。龐加萊提出相對(duì)性原理亨利.龐加萊1904年龐加萊正式表述了相對(duì)性原理。他在一次演說(shuō)中講道：“根據(jù)這個(gè)原理，無(wú)論對(duì)于固定的觀察者還是對(duì)于正在作勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者，物理定律應(yīng)該是相同的。因此沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)方法可以用來(lái)識(shí)別我們自身是否處于勻速運(yùn)動(dòng)之中。”龐加萊還對(duì)洛侖茲理論進(jìn)行加工整理，使它的數(shù)學(xué)形式更加簡(jiǎn)潔。然而彭加勒也沒(méi)有跳出絕對(duì)時(shí)空觀的框架。 6.2愛(ài)因斯坦創(chuàng)建狹義相對(duì)論的經(jīng)過(guò) 愛(ài)因斯坦是德國(guó)人，有猶太血統(tǒng)， 1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)，1901年入瑞士國(guó)籍，大學(xué)畢業(yè)兩年后才在伯爾尼瑞士專(zhuān)利局找到技術(shù)員的工作

5、。就在專(zhuān)利局工作期間，1905年頭幾個(gè)月一連發(fā)表了四篇重要論文，分別在輻射理論、分子運(yùn)動(dòng)論和力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論等三個(gè)不同的領(lǐng)域提出了新的見(jiàn)解。其中論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)一文更具有劃時(shí)代的意義，文中第一次提出了嶄新的時(shí)間空間理論，一舉解決了光速的不變性與速度合成法則之間的矛盾以及電磁理論中的不對(duì)稱(chēng)等難題。愛(ài)因斯坦把這個(gè)理論稱(chēng)為相對(duì)性理論，簡(jiǎn)稱(chēng)相對(duì)論，后來(lái)又叫狹義相對(duì)論。 一、走在愛(ài)因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲修改麥克斯韋方程佛格特1887年提出佛格特變換，與洛倫茲變換相似洛倫茲知道佛格特的工作，但沒(méi)有足夠注意。拉摩拉摩進(jìn)動(dòng)和拉摩變換費(fèi)茲杰惹獨(dú)立地提出洛倫茲變換洛倫茲提出電子

6、論和洛倫茲變換愛(ài)因斯坦讀過(guò)洛倫茲1895年的著作龐加萊提出相對(duì)性原理 1879年3月14日生于德國(guó)烏爾姆一個(gè)猶太人家庭。 父親是小商人，母親是鋼琴家。上學(xué)后，成績(jī)平平，但愛(ài)動(dòng)腦筋，12歲曾證明勾股定理。 1896年，愛(ài)因斯坦成為一個(gè)無(wú)國(guó)籍的人，并考進(jìn)了聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。大學(xué)期間，愛(ài)因斯坦迷上了物理學(xué)，一方面，他閱讀了德國(guó)著名物理學(xué)家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學(xué)，并經(jīng)常去理論物理學(xué)教授的家中請(qǐng)教。另一方面，他的大部分時(shí)間是去物理實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn)，迷戀于直接觀察和測(cè)量。二、愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介青年時(shí)期愛(ài)因斯坦少年時(shí)期就對(duì)哲學(xué)有興趣?？档碌募兇饫硇耘校R赫的力學(xué)史評(píng)都給了他深刻

7、的影響。1902年前后，愛(ài)因斯坦和幾個(gè)年輕朋友組成“奧林比亞科學(xué)院”每晚聚在一起，研讀斯賓諾莎、休謨、彭加勒等人的科學(xué)和哲學(xué)著作。斯賓諾莎關(guān)于自然界統(tǒng)一的思想，休謨的時(shí)空觀，馬赫對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批判都引起愛(ài)因斯坦極大的興趣。1900年 蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系畢業(yè)。1902年 在瑞士聯(lián)邦專(zhuān)利局工作 1909年 離開(kāi)專(zhuān)利局任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授。1911年 任布拉格德語(yǔ)大學(xué)理論物理學(xué)教授，1912年任母校蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)教授。1914年，應(yīng)能斯脫的邀請(qǐng)，回德國(guó)任威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授，直到1933年。1914年 應(yīng)洛倫茲和埃倫菲斯特的邀請(qǐng)，兼任荷蘭萊頓大學(xué)特邀教授?；氐聡?guó)

8、不到四個(gè)月，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他投入公開(kāi)的和地下的反戰(zhàn)活動(dòng)。他經(jīng)過(guò)8年艱苦的探索,于1915年最后建成了廣義相對(duì)論。 1921年 獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。1933年 受德國(guó)納粹迫害移居美國(guó)，為普林斯頓研究所研究員。1940年加入美國(guó)國(guó)籍。1955年4月18日去世。 1900年，愛(ài)因斯坦大學(xué)畢業(yè)。1901年，他獲得了瑞士國(guó)籍。 1902年，在他的朋友格羅斯曼的幫助下，愛(ài)因斯坦終于在伯爾尼的瑞士聯(lián)邦專(zhuān)利局找到了一份穩(wěn)定的工作當(dāng)技術(shù)員。 在伯爾尼專(zhuān)利局的日子里，愛(ài)因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài)，在許多問(wèn)題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見(jiàn)解。在十年的探索過(guò)程中，愛(ài)因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是

9、經(jīng)過(guò)赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動(dòng)力學(xué)。愛(ài)因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問(wèn)題使他不安，這就是絕對(duì)參照系中以太的存在。 三、狹義相對(duì)論的建立 他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過(guò)研究，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對(duì)參照系和電磁場(chǎng)的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義。于是他想到：絕對(duì)參照系是必要的嗎？電磁場(chǎng)一定要有荷載物嗎？ 當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對(duì)參照系，這是受到牛頓的絕對(duì)空間概念的影響。19世紀(jì)末，馬赫在所著的發(fā)展中的力學(xué)中，批判了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，這給愛(ài)因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，愛(ài)因斯坦與一個(gè)朋友貝

10、索討論這個(gè)已探索了十年的問(wèn)題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛(ài)因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，終于想明白了問(wèn)題。第二天，他又來(lái)到貝索家，說(shuō)：謝謝你，我的問(wèn)題解決了。原來(lái)愛(ài)因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒(méi)有絕對(duì)的定義，時(shí)間與光信號(hào)的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開(kāi)鎖的鑰匙，經(jīng)過(guò)五個(gè)星期的努力工作，愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)論呈現(xiàn)在人們面前。1905年他發(fā)表了有關(guān)狹義相對(duì)論的三篇文章。 早在16歲（1895年）時(shí)，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始思考這樣一個(gè)問(wèn)題：“如果我以速度c（真空中的光速）追隨光線運(yùn)動(dòng)，我應(yīng)當(dāng)看到這樣一條光線就好象一個(gè)在空中振蕩著而停滯不前的電磁場(chǎng)?？墒菬o(wú)論是依

11、據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程，看來(lái)都不會(huì)有這樣的事情?！边@是一個(gè)悖論，實(shí)際上包含了狹義相對(duì)論的萌芽。 愛(ài)因斯坦對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考，經(jīng)歷了很長(zhǎng)的過(guò)程。他回憶說(shuō)：“最初當(dāng)我有這個(gè)想法時(shí)，我并不懷疑以太的存在，不懷疑地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)”。甚至他還設(shè)想用熱電偶做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，比較沿不同方向的兩束光線所放出的熱量。 不久愛(ài)因斯坦得知邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。他由此認(rèn)識(shí)到，地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)是不能用任何儀器測(cè)量的。他繼續(xù)回憶說(shuō)：“如果承認(rèn)邁克耳孫的零結(jié)果是事實(shí)，那么地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)的，這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一步?！睈?ài)因斯坦讀到了洛侖茲1895年的論文，他很欣賞洛侖茲方程不但適用于真空中的

12、參照系，而且適用于運(yùn)動(dòng)物體的參照系。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)他堅(jiān)信麥克斯韋和洛侖茲電動(dòng)力學(xué)方程是正確的，但是進(jìn)一步推算，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對(duì)動(dòng)體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。為什么這兩個(gè)概念會(huì)相互矛盾呢？愛(ài)因斯坦苦思不得其解。起初他想修改洛侖茲的觀念，以解決這個(gè)矛盾，結(jié)果白白花了一年時(shí)間，沒(méi)有取得進(jìn)展。經(jīng)過(guò)十年的思考，終于在1905年的一天，他突然找到了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。他在那次講演中這樣形容當(dāng)時(shí)的情景：“為什么這兩個(gè)觀念相互矛盾呢？我感到這一難題相當(dāng)不好解決。我花了整整一年的時(shí)間，試圖修改洛侖茲的思想，來(lái)解決這

13、個(gè)問(wèn)題，但是卻徒勞無(wú)功。 “是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫了困境。那是一個(gè)晴朗的日子，我?guī)е@個(gè)問(wèn)題訪問(wèn)了他，我們討論了這個(gè)問(wèn)題的每一個(gè)細(xì)節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到這個(gè)問(wèn)題的癥結(jié)所在。這個(gè)問(wèn)題的答案來(lái)自對(duì)時(shí)間概念的分析，不可能絕對(duì)地確定時(shí)間，在時(shí)間和信號(hào)速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個(gè)難題。”愛(ài)因斯坦和洛倫茲在一起不出五個(gè)星期，（1905年6月），愛(ài)因斯坦就寫(xiě)好了那篇?dú)v史性文獻(xiàn)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)，1905年9月發(fā)表在著名的德文雜志物理學(xué)年鑒上。在這篇論文中，愛(ài)因斯坦十分果斷地把相對(duì)性原理和光速不變?cè)磉@兩條看起來(lái)似乎矛盾的設(shè)想放在一起作為基本出發(fā)點(diǎn)。他稱(chēng)之為兩條公

14、設(shè)，內(nèi)容如下：“1.物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的那一個(gè)并無(wú)關(guān)系，（相對(duì)性原理）?！薄?.任何光線在靜止的坐標(biāo)系中都是以確定的速度v運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的，（光速不變?cè)恚！睈?ài)因斯坦不是像洛侖茲那樣，事先假設(shè)某種時(shí)空變換關(guān)系，而是以這兩個(gè)公設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，推導(dǎo)出時(shí)空變換關(guān)系。他非常簡(jiǎn)潔地建立了一系列新的時(shí)空變換公式之后，立即推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)物體的“長(zhǎng)度收縮”、運(yùn)動(dòng)時(shí)間的“時(shí)鐘變慢”、同時(shí)性的相對(duì)性以及新的速度合成法則等等，由此形成一套嶄新的時(shí)空觀。 愛(ài)因斯坦在論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)一文的最后，推導(dǎo)出了電

15、子質(zhì)量隨速度變化的關(guān)系和電子的動(dòng)能公式，并由電子速度等于光速c時(shí)動(dòng)能變?yōu)闊o(wú)窮大的結(jié)果預(yù)言電子速度不可能大于光速。 1905年晚些時(shí)候，愛(ài)因斯坦又發(fā)表了一篇論文，題為物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？，第一次提出了相對(duì)論的質(zhì)能轉(zhuǎn)化關(guān)系。“物體質(zhì)量是它所包含的能量的量度。”“如果能量改變L，則質(zhì)量也要同時(shí)改變L/（91020）（即L/c2 ，這里用的是CGS單位）?！闭搫?dòng)體的電動(dòng)力學(xué)發(fā)表在物理學(xué)年鑒上2、光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑偈浅Ａ?，它與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，即不依賴(lài)于慣性系的選擇。1、相對(duì)性原理：物理定律在所有的慣性系中都是相同的，即所有慣性系對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述都是等效的。狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容從這

16、兩個(gè)假設(shè)，得出洛倫茲變換：狹義相對(duì)論引出的觀念的變化1、同時(shí)性的相對(duì)性在S系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在S系中不再是同時(shí)的了。A B 兩個(gè)接收器同時(shí)收到光信號(hào)； A 先收到，B 后收到。光源光速不變 列車(chē)上（S系） 地面上（S系）狹義相對(duì)論引出的觀念的變化2、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)物理世界奇遇記 伽莫夫狹義相對(duì)論引出的觀念的變化2、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)假如速度無(wú)限接近于光速？思考 世界將會(huì)怎樣？！狹義相對(duì)論引出的觀念的變化3、時(shí)間延緩效應(yīng)快速運(yùn)動(dòng)參考系中的鐘，與靜止參考系中的鐘相比，它走慢了。-這就是所謂的時(shí)間膨脹，也叫時(shí)間延遲。 在1911年4月波隆哲學(xué)大會(huì)上，法國(guó)物理學(xué)家P朗之萬(wàn)用雙生子實(shí)驗(yàn)對(duì)狹義相對(duì)論

17、的時(shí)間膨脹效應(yīng)提出了質(zhì)疑，設(shè)想的實(shí)驗(yàn)是這樣的：一對(duì)雙胞胎，一個(gè)留在地球上，另一個(gè)乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時(shí)只不過(guò)兩歲，而他的兄弟早已死去了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過(guò)了200年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子佯謬說(shuō)明狹義相對(duì)論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。慢【例】孿生子佯謬和孿生子效應(yīng) 假如飛船返回地球兄弟相見(jiàn)，到底誰(shuí)會(huì)更年輕呢？.慢 問(wèn)題的關(guān)鍵是，時(shí)間延緩效應(yīng)是狹義相對(duì)論的結(jié)果，它要求飛船和地球同為慣性系。要想保持飛船和地球同為慣性系，哥哥和弟弟就只能永別，不可能面對(duì)面地比較誰(shuí)年輕。這就是通常所說(shuō)的孿生子佯謬(twin paradox)。 如果飛船返回地球

18、則在往返過(guò)程中有加速度，飛船就不是慣性系了。這一問(wèn)題的嚴(yán)格求解要用到廣義相對(duì)論，計(jì)算結(jié)果是，兄弟相見(jiàn)時(shí)哥哥比弟弟年輕。這種現(xiàn)象，被稱(chēng)為孿生子效應(yīng)。 1971年，美國(guó)空軍用兩組Cs(銫)原子鐘做實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)繞地球一周的運(yùn)動(dòng)鐘變慢了 20310 ns，而按廣義相對(duì)論預(yù)言運(yùn)動(dòng)鐘變慢 184 23 ns，在誤差范圍內(nèi)理論值和實(shí)驗(yàn)值一致，驗(yàn)證了孿生子效應(yīng)。 質(zhì)能方程質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換方程經(jīng)典物理中，質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念；在狹義相對(duì)論中，質(zhì)量和能量通過(guò)光速聯(lián)系在一起愛(ài)因斯坦指出：該方程主要用來(lái)解釋核變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損和計(jì)算高能物理中粒子的能量為什么日常生活中覺(jué)察不到？高鐵：300350km/h 100

19、m/s戰(zhàn)斗機(jī)：1000 m/s洲際導(dǎo)彈：7000 m/s宇宙飛船：11.2 km/s離開(kāi)銀河系：1.20 x105m/s光速：3x108m/s遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于日常所見(jiàn)的速度！相對(duì)論效應(yīng)在日常生活的速度中是可以忽略不計(jì)的！四、愛(ài)因斯坦的研究特色:1.對(duì)經(jīng)典理論的大膽懷疑經(jīng)過(guò)十年的思索,首先看破以太,并最終拋棄了以太,也就是拋棄了絕對(duì)運(yùn)動(dòng)?！榜R赫的真正偉大，就在于他的堅(jiān)不可摧的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性?！?愛(ài)因斯坦相對(duì)論以最勇敢的物理論而名揚(yáng)于世。2.博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取16歲時(shí),愛(ài)因斯坦就思考:“如果我以速度c追隨一條光線運(yùn)動(dòng)”，我應(yīng)當(dāng)看到什么現(xiàn)象呢？愛(ài)因斯坦得知邁克爾遜零結(jié)果，想:“若零結(jié)果是事實(shí)，那地球相對(duì)以

20、太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的!”愛(ài)因斯坦讀了洛侖茲1895年的論文，認(rèn)為其方程若成立，必然導(dǎo)致光速不變的概念。電磁感應(yīng)的現(xiàn)象迫使我假設(shè)(狹義)相對(duì)性的原理，必須克服的困難在于真空中光速的不變性。 愛(ài)因斯坦 愛(ài)因斯坦認(rèn)為:“若光速不變成立，則將出現(xiàn)同時(shí)性的相對(duì)性。”就這樣，愛(ài)因斯坦建立了新的時(shí)空觀，他認(rèn)為時(shí)間與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而不是割離的，建立了四維空間。3.追求科學(xué)理論的和諧與自然認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)完備，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛頓運(yùn)動(dòng)定律與事實(shí)有矛盾，就應(yīng)該改革它。認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)邏輯簡(jiǎn)單，概念和假設(shè)應(yīng)當(dāng)盡量地少，理論應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)潔。認(rèn)為科學(xué)應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng)和諧?！八笤谂郎揭粯?，越是往上爬，越是得到寬廣的視野

21、，并且越能顯示出我們的出發(fā)點(diǎn)與其周?chē)鷱V大地域之間的出乎意外聯(lián)系?！睈?ài)因斯坦的回憶狹義相對(duì)論被承認(rèn)的曲折經(jīng)歷1.普遍讀不懂，不理解在法國(guó)，1910年幾乎沒(méi)有人提到愛(ài)因斯坦。JJ湯姆遜1909年：“以太對(duì)我們來(lái)說(shuō)，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少?！瘪R吉1911年：“我相信，現(xiàn)在沒(méi)有一個(gè)活著的人會(huì)斷言，時(shí)間會(huì)是速度的函數(shù)?！?邁克爾遜至死（1931年）還念念不忘“可愛(ài)的以太”，認(rèn)為相對(duì)論是個(gè)怪物。6.3 狹義相對(duì)論的遭遇和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 2.普朗克支持：“如果相對(duì)論是正確的，愛(ài)因斯坦就是20世紀(jì)的哥白尼?！辈l(fā)表了愛(ài)因斯坦的文章。所以人們常說(shuō)，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)! 3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1906年，考夫曼得出了否定相

22、對(duì)論的結(jié)果，相對(duì)論受到考驗(yàn)！但1907年，愛(ài)因斯坦發(fā)表文章，堅(jiān)信相對(duì)論是正確的。 1911年，索爾威會(huì)議召開(kāi)，由于愛(ài)因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論方面的工作。支持相對(duì)論的物理學(xué)家：普朗克，勞厄，閔可夫斯基，泡利，布雪勒等。勞厄，在1911年就致力于宣傳相對(duì)論。閔可夫斯基 立陶宛出生的德國(guó)數(shù)學(xué)家是除愛(ài)因斯坦以外，最早注意到時(shí)空觀變革的學(xué)者，他是愛(ài)因斯坦大學(xué)時(shí)的老師，因后者不重視正規(guī)課程的學(xué)習(xí)而不太喜歡這個(gè)學(xué)生，但他卻十分贊賞學(xué)生提出的相對(duì)論。他以自己精通的幾何學(xué)知識(shí)對(duì)相對(duì)論進(jìn)行了四維格式化，重新處理了相對(duì)論的基本方程，把洛侖茲變換看作是坐標(biāo)系在四維空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)，

23、給相對(duì)論以更加簡(jiǎn)潔的表述。泡利，在1921年受他老師的推薦為數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書(shū)撰寫(xiě)了一篇關(guān)于相對(duì)論的長(zhǎng)篇綜述文章，得到了愛(ài)因斯坦的高度評(píng)價(jià)，至今還是相對(duì)論方面的名著之一。布雪勒，在1908年用改進(jìn)的方法測(cè)量電子的質(zhì)量，得到的結(jié)果與相對(duì)論的理論基本相符。閔可夫斯基狹義相對(duì)論有一重要結(jié)果，就是預(yù)言電子質(zhì)量會(huì)隨運(yùn)動(dòng)速度增長(zhǎng)。從經(jīng)典電磁理論出發(fā)也可以得到類(lèi)似的結(jié)論，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的能量增大，相當(dāng)于質(zhì)量也增大。經(jīng)典電磁理論家阿伯拉罕（M .Abraham）假設(shè)電子是一個(gè)有確定半徑的鋼性帶電小球，它在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)引起電磁質(zhì)量，由此推出了電子的質(zhì)量公式。1901年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家考夫曼用射線

24、的高速電子流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子的質(zhì)量確實(shí)是隨速度變化的。洛侖茲到1904年則根據(jù)收縮假說(shuō)也推出了電子質(zhì)量公式。后來(lái)證明洛侖茲公式與狹義相對(duì)論的結(jié)果一致。1906年，考夫曼宣布，他的量度結(jié)果證實(shí)了阿伯拉罕的理論公式，而“與洛侖茲-愛(ài)因斯坦的基本假定不相容”。這件事一度竟成了否定相對(duì)論的重要依據(jù)。在這一事實(shí)面前，洛侖茲失望了，他表示，“不幸我的電子變形假說(shuō)與考夫曼的新結(jié)果矛盾，我只好放棄它了。”然而，愛(ài)因斯坦卻持另一種態(tài)度，他在1907年寫(xiě)文章表示，相信狹義相對(duì)論是經(jīng)得起考驗(yàn)的，在他看來(lái)那些理論在很大的程度上是由于偶然碰巧與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。果然，一年后布雪勒（A .H .Bucherer）用改進(jìn)了的

25、方法測(cè)電子質(zhì)量，得到的結(jié)果與洛侖茲-愛(ài)因斯坦公式符合甚好。以后許多實(shí)驗(yàn)都證明，狹義相對(duì)論的結(jié)果是正確的。可是，觀念的改變不是一朝一夕之事。直到1919年，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論得到了日全食觀測(cè)的證實(shí)，他成為公眾注目的人物，狹義相對(duì)論才開(kāi)始受到應(yīng)有的重視。 激烈的爭(zhēng)論沒(méi)有停息過(guò)。到20世紀(jì)三十年代末，從激發(fā)氫原子的實(shí)驗(yàn)中，無(wú)可置疑地證明了時(shí)間的相對(duì)膨脹。后來(lái)，在宇宙線的研究過(guò)程中再次明確地得到了證實(shí)。這就是說(shuō)人們?cè)趯?shí)際的實(shí)驗(yàn)中，的確發(fā)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的參考系中的時(shí)鐘變慢了，特別是宇宙線粒子的速度特別大，這一效應(yīng)的數(shù)值也較大。1938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實(shí)驗(yàn)，結(jié)論更接近相對(duì)論的理論。1940年

26、，羅吉斯通過(guò)實(shí)驗(yàn)再次證明愛(ài)因斯坦理論的正確性。趣聞：愛(ài)因斯坦的諾獎(jiǎng)路從1910年開(kāi)始，愛(ài)因斯坦開(kāi)始被提名諾貝爾獎(jiǎng)。除了1911年和1915年，愛(ài)因斯坦每年都被提名諾貝爾獎(jiǎng)，直到1922年得獎(jiǎng)。事實(shí)上，直到1915年后，學(xué)術(shù)界才普遍承認(rèn)，狹義相對(duì)論得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是這時(shí)人們的注意力又集中到了愛(ài)因斯坦1915年創(chuàng)立的廣義相對(duì)論。在是否給愛(ài)因斯坦授予諾獎(jiǎng)的問(wèn)題上，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)遇到了很大壓力。“想象一下，如果愛(ài)因斯坦不在諾貝爾獎(jiǎng)得主名單中，五十年后，人們會(huì)怎么看。”布里淵趣聞：愛(ài)因斯坦的諾獎(jiǎng)路愛(ài)因斯坦沒(méi)有因?yàn)橄鄬?duì)論工作而獲得諾貝爾獎(jiǎng)原因簡(jiǎn)析：1、當(dāng)時(shí)諾貝爾委員會(huì)對(duì)新理論保持非常保守的態(tài)度；2、19

27、11-1922年間，五位評(píng)委中有三位從事實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作；認(rèn)為相對(duì)論缺少實(shí)驗(yàn)支持；3、一旦獲獎(jiǎng)，在未來(lái)獲得第二次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的可能性微乎其微。 “瑞典皇家科學(xué)院決定授予您去年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是考慮到您對(duì)理論物理，特別是光電效應(yīng)定律的工作，但是沒(méi)有考慮您的相對(duì)論與引力理論在未來(lái)得到證實(shí)之后的價(jià)值?！比鸬淇茖W(xué)院1922年12月10日致愛(ài)因斯坦的信1921年，在是否給愛(ài)因斯坦頒獎(jiǎng)的問(wèn)題上，致使當(dāng)年公布獲獎(jiǎng)。1922年，提名愛(ài)因斯坦的人數(shù)達(dá)到空前的數(shù)目，普朗克建議分別授予愛(ài)因斯坦和玻爾1921年和1922年的獎(jiǎng)。奧辛再次建議以光電效應(yīng)授獎(jiǎng)。 愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論譜寫(xiě)了物理學(xué)發(fā)展史上的令人振奮的新篇章

28、，和量子論一起成為物理學(xué)革命的標(biāo)志性成果。 他在相對(duì)性：相對(duì)論的本質(zhì)中指出：“狹義相對(duì)論導(dǎo)致了對(duì)空間和時(shí)間的物理概念的清楚理解，并且由此認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)著的量桿和時(shí)鐘的行為。它在原則上取消了絕對(duì)同時(shí)性概念，從而也取消了牛頓所理解的那個(gè)即時(shí)超距作用概念。它指出，在處理同光速相比不是小到可忽略的運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)定律必須加以怎樣的修改。它導(dǎo)致了麥克斯韋電磁場(chǎng)方程的形式上的澄清；特別是導(dǎo)致了對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)本質(zhì)上的同一性的理解。它把動(dòng)量守恒和能量守恒這兩條定律統(tǒng)一成一條定律，并且指出了質(zhì)量同能量的等效性。從形式的觀點(diǎn)來(lái)看，狹義相對(duì)論的成就可以表征如下：它一般指出了普適常數(shù)光速）在自然規(guī)律中所起的作用，并且表明以時(shí)間

29、作為一方，空間坐標(biāo)作為另一方，兩者進(jìn)入自然規(guī)律的形式之間存在著密切的聯(lián)系?！豹M義相對(duì)論的意義 狹義相對(duì)論建立以后，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步。他認(rèn)為狹義相對(duì)論還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物理學(xué)中比其他坐標(biāo)系更為優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？為什么一切物體在引力場(chǎng)中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)受住考驗(yàn)的狹義相對(duì)論，為什么一用到引力場(chǎng)中就遇到了矛盾？愛(ài)因斯坦感到極大的疑惑。他堅(jiān)信自然界的和諧和統(tǒng)一，認(rèn)為要么對(duì)慣性坐標(biāo)系為什么會(huì)特別優(yōu)越作出解釋?zhuān)捶艞墤T性坐標(biāo)系的特殊優(yōu)越地位。6.4 廣義相對(duì)論的建立1907年，他腦海中突然冒出一個(gè)靈感：“一個(gè)在半空中墜落的人，完全感覺(jué)不到自己的重量

30、，應(yīng)該覺(jué)得自己好象置身于慣性系中。”根據(jù)這個(gè)平淡無(wú)奇的想法，同年他就寫(xiě)出了第一篇關(guān)于廣義相對(duì)論的論文，提出廣義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)：一、等效原理： 加速度造成的“重量感”與真正的重力效應(yīng)一模一樣。二、廣義相對(duì)性原理： 物理定律在任何參考系中都具有相同形式。一、引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等價(jià)性 幾百年以來(lái)，物理學(xué)家把慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等當(dāng)作一個(gè)基本事實(shí)， 但是，愛(ài)因斯坦確認(rèn)為“我為它的存在感到極為驚奇，并猜想其中必有一把可以更加深入地了解慣性和引力的鑰匙”。他在題為相對(duì)論發(fā)展簡(jiǎn)述的文章中寫(xiě)道： “在引力場(chǎng)里，一切物體都以同一加速度下落，或者說(shuō)這不過(guò)是同一事實(shí)的另一種講法物體的引力質(zhì)量同慣性質(zhì)量在數(shù)值上是

31、彼此相等的。這種數(shù)值上的相等，暗示著性質(zhì)上的相同。引力同慣性能夠是同一的嗎？這問(wèn)題直接導(dǎo)致了廣義相對(duì)論?！苯?jīng)過(guò)縝密的思索，愛(ài)因斯坦用場(chǎng)的觀念對(duì)基于超距作用觀念的牛頓引力理論進(jìn)行了改造，寫(xiě)出如下等式：愛(ài)因斯坦認(rèn)為：“只有當(dāng)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量數(shù)值上相等時(shí)，加速度才與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。”即慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的相等性，是同加速度和引力場(chǎng)強(qiáng)度的等價(jià)性聯(lián)系在一起的。在提出等效原理的過(guò)程中，愛(ài)因斯坦運(yùn)用了理想實(shí)驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)了一系列升降機(jī)實(shí)驗(yàn)，反復(fù)思考處于升降機(jī)中的觀察者通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)會(huì)得到什么結(jié)論。（慣性質(zhì)量）（加速度）=（引力場(chǎng)強(qiáng)度） （引力質(zhì)量）升降機(jī)理想實(shí)驗(yàn)人處于封閉的升降機(jī)中1、“失重狀態(tài)”2、“加速

32、狀態(tài)”3、“勻速狀態(tài)”“我們考察兩個(gè)參照系和在它的軸方向加速運(yùn)動(dòng)是這個(gè)加速度的值（不因時(shí)間而變），是靜止的；但是它處在一個(gè)均勻的引力場(chǎng)中，這個(gè)引力場(chǎng)賦予一切物體在軸方向上這樣一個(gè)加速度”“就我們所知，無(wú)法把參照于的物理定律同參照于的物理定律區(qū)別開(kāi)來(lái)；這是由于一切物體在引力場(chǎng)中都被同樣地加速?！睋?jù)此他把等效原理以假設(shè)的形式提出：“引力場(chǎng)同參照系的相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r(jià)?！?907年愛(ài)因斯坦在建立廣義相對(duì)論方面邁出了重要一步，在關(guān)于相對(duì)論原理和由此得出的結(jié)論的第五部分“相對(duì)性原理和引力”中他敘述道：同時(shí)“這個(gè)假設(shè)把相對(duì)性原理擴(kuò)展到參照系作均勻加速平移運(yùn)動(dòng)的情況”。初步提出了廣義相對(duì)性原理，并

33、于年在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)一文中把它推廣到所有的坐標(biāo)系中：“普遍的自然規(guī)律是由那些對(duì)一切坐標(biāo)系都有效的方程來(lái)表示的，也就是說(shuō)，它們對(duì)于無(wú)論哪種代換都是協(xié)變的（廣義協(xié)變）。”即一切坐標(biāo)系都是平權(quán)的，這樣就徹底回答了馬赫關(guān)于坐標(biāo)系的疑問(wèn)。二、廣義協(xié)變的引力場(chǎng)方程的建立 廣義相對(duì)性原理和等效原理的提出，為廣義相對(duì)論奠定了堅(jiān)實(shí)的思想基礎(chǔ)，但離建立完備的廣義相對(duì)論的理論體系仍有很大的距離。首先遇到的難題就是如何描述引力場(chǎng)，必須找到一個(gè)合適的數(shù)學(xué)工具。 從1907年到1916年的九年時(shí)間，愛(ài)因斯坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對(duì)論逐步完備。 1913年，愛(ài)因斯坦與格羅斯曼（M.Grossmann）合作，建立了

34、引力的度規(guī)場(chǎng)理論，他們聯(lián)名發(fā)表了廣義相對(duì)論和引力論，系統(tǒng)地論述了廣義相對(duì)論的物理原理和數(shù)學(xué)方法。他們引入了黎曼張量，把平直空間的張量運(yùn)算推廣到彎曲的黎曼空間。 1915年，愛(ài)因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文。其中用廣義相對(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)第一次用廣義相對(duì)論計(jì)算出了水星的剩余進(jìn)動(dòng)，并且聲明：“在本文中我找到了這種最徹底和最完全的相對(duì)論的一個(gè)重要證明?！?同年發(fā)表了引力的場(chǎng)方程，提出了廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程的完整形式。 1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，對(duì)廣義相對(duì)論的研究作了全面的總結(jié)。在論文中，愛(ài)因斯坦證明了牛頓理論可以作為相對(duì)論引力理論的第一級(jí)近似，并且給出了譜線紅移，光線彎曲，行星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的理論預(yù)言。1916年,愛(ài)因斯坦完成了廣義相對(duì)論，提出了三大天文效應(yīng)，其中之一，引力場(chǎng)將使星光彎曲的現(xiàn)象。1919年，英國(guó)愛(ài)丁頓，率領(lǐng)一支考察隊(duì)，利用日全食,觀察到這一現(xiàn)象，并拍攝了照片。相對(duì)論的成功震驚了世界!愛(ài)因斯坦成為公眾矚目的人。廣義相對(duì)論的結(jié)構(gòu)體系可以用一張圖來(lái)表示：迄今為止，廣義相對(duì)論的應(yīng)用主要是在宇觀領(lǐng)域，即宇宙學(xué)和天體物理學(xué)方面。從廣義相對(duì)論出發(fā)建立起來(lái)的引力理論是目前最好的一種引力理論。在現(xiàn)有的幾種與廣義相對(duì)論競(jìng)爭(zhēng)的理論中，廣義相對(duì)論占有明顯的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)它是不是唯一可能的正確理論，尚未有定論。所以人們非常關(guān)心對(duì)廣義相