高中物理 第十五章 相對論簡介 1 相對論的誕生素材 新人教選修34

1、2021/8/11 星期三11 相對論的誕生2021/8/11 星期三2一. 兩朵烏云 1900，開爾文勛爵： 物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。2021/8/11 星期三3第一朵烏云：黑體輻射 量子論第二朵烏云：邁克爾遜實(shí)驗(yàn) 相對論190019052021/8/11 星期三4量子論的誕生2021/8/11 星期三5量子說 光子說愛因斯坦解釋光電效應(yīng)19052021/8/11 星期三6愛因斯坦生平（）1879.3.14 誕生于德國烏爾姆中，小學(xué)時(shí)代 德國慕尼黑1895-1896 瑞士阿

2、勞中學(xué)一年1896-1900 蘇黎士工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)1900-1902 艱辛求職，四面碰壁2021/8/11 星期三7 愛因斯坦對學(xué)校教育持批評(píng)態(tài)度，一生中除了在阿勞中學(xué)那一年的補(bǔ)習(xí)班外，對學(xué)校教育沒有好印象。 他高度評(píng)價(jià)阿勞中學(xué)的教學(xué)： “這個(gè)中學(xué)用它的自由精神和那些不仗外界權(quán)勢的教師的純樸熱情，培養(yǎng)了我的獨(dú)立精神和創(chuàng)造精神。正是阿勞中學(xué)，成為了孕育相對論的土壤”2021/8/11 星期三81902-1909 伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況： 1901-1篇論文 1902-2篇論文 1903-1篇論文 1904-1篇論文2021/8/11 星期三9希爾伯特： 沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作

3、單位了 空閑、寬容2021/8/11 星期三10愛因斯坦的豐收年（26歲）1905-5篇 3月 解釋光電效應(yīng)光子說（6月 發(fā)表） 4月 博士論文：測定分子大小的新 方法（4月提交） 2021/8/11 星期三115月 解釋布朗運(yùn)動(dòng)（7月發(fā)表）6月 “論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)”狹 義相對論（9月發(fā)表）9月 （11月發(fā)表）2021/8/11 星期三12愛因斯坦生平（）1909-1914 進(jìn)入大學(xué)工作（蘇黎士，布 拉格等地）1914-1933 柏林大學(xué)教授，德國物理研 究所所長、院士1915 提出廣義相對論（36歲）1933-1955 美國普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究 所研究員1955年4月18日 逝世2021

4、/8/11 星期三13二.狹義相對論 光波是“以太”的彈性振動(dòng)。 以太相對于地球運(yùn)動(dòng)嗎？ 光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相 對于地球有運(yùn)動(dòng)。 邁克爾遜實(shí)驗(yàn)（1881，1887）：沒有 測出這一運(yùn)動(dòng)。2021/8/11 星期三14洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：2021/8/11 星期三15x=x-vty=yz=zt=t伽利略變換2021/8/11 星期三16洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換2021/8/11 星期三17愛因斯坦的新理論相對性原理 光速不變原理洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運(yùn)動(dòng)都是相對的洛倫茲變換是任意兩個(gè)慣性系之間的變換V是相對速度愛因斯坦：2021/

5、8/11 星期三18洛倫茲反對愛因斯坦的觀點(diǎn)，給愛因斯坦的理論起了個(gè)名字： 相對論2021/8/11 星期三19相對論認(rèn)為“同時(shí)”是相對的動(dòng)尺收縮： 空間是相 對的動(dòng)鐘變慢： 時(shí)間是相 對的質(zhì)能關(guān)系：2021/8/11 星期三202021/8/11 星期三21 愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅(jiān)持相對性原理（2）認(rèn)識(shí)到光速是絕對的（3）時(shí)間 能量 空間 動(dòng)量2021/8/11 星期三22究竟是誰創(chuàng)造了相對論？2021/8/11 星期三23歷史：1892 洛倫茲斐茲杰惹收縮 （1892） （1889，1893）1902 彭卡萊否認(rèn)絕對空間，絕對時(shí)間 （但仍承認(rèn)有以太） 批評(píng)相對于絕對空間的動(dòng)尺收縮假設(shè)

6、， 認(rèn)為“相對性原理”適用于電磁理論2021/8/11 星期三241904 洛倫茲部分接受彭卡萊批評(píng) 提出地方時(shí)間 （非真實(shí)時(shí)間） 給出洛倫茲變換 （1887 佛格特，1898 拉摩） 電子質(zhì)量公式 2021/8/11 星期三251904 彭卡萊 正確表述“相對性原理” 提到用光信號(hào)對鐘，但認(rèn)為得到的是地方時(shí)間，不是真實(shí)時(shí)間。 推測真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；2021/8/11 星期三261905 愛因斯坦發(fā)表相對論 （論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)）只有他認(rèn)識(shí)到（1）必須徹底拋棄絕對空間（以太） 必須徹底拋棄絕對時(shí)間（同時(shí)的絕對性）（2）“同時(shí)”是相對的，可以用光來對鐘，定義“同時(shí)”（3）新

7、理論是一個(gè)時(shí)空理論2021/8/11 星期三27楊振寧教授洛倫茲只有近距離眼光，沒有遠(yuǎn)距離眼光洛倫茲（只重視解釋實(shí)驗(yàn)與觀測結(jié)果）局部修改物理理論，不從哲學(xué)角度考慮彭卡萊只有遠(yuǎn)距離眼光，沒有近距離眼光彭卡萊只從哲學(xué)和教學(xué)的角度來考查問題, 不從實(shí)驗(yàn)和測量的角度考查愛因斯坦具有自由的眼光，既近距離又遠(yuǎn)距離觀察問題既重視實(shí)驗(yàn)和觀測，又注重哲學(xué)探討（馬赫著作，“奧林匹亞學(xué)院”）洛倫茲是技術(shù)型的，彭卡萊是哲學(xué)型的，愛因斯坦是物理型的。2021/8/11 星期三28三.彎曲的時(shí)空廣義相對論（1）慣性系無法定義（2）萬有引力定律納不進(jìn)相對論體系2021/8/11 星期三292021/8/11 星期三30引力

8、場=慣性場 (局域) 等效原理 廣義相對性原理廣義相對論2021/8/11 星期三31 萬有引力不是真正的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運(yùn)動(dòng)是慣性運(yùn)動(dòng)（伽利略的錯(cuò)誤）地球上的自由落體是慣性運(yùn)動(dòng)2021/8/11 星期三322021/8/11 星期三33 時(shí)間 能量 空間 動(dòng)量 時(shí)空曲率物質(zhì)2021/8/11 星期三34廣義相對論的三個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1） 引力紅移（2） 水星進(jìn)動(dòng)（3） 光線偏折2021/8/11 星期三35水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)5600.73 0.41/百年，（觀測）5557.62 0.20/百年，（計(jì)算）43.11/百年的進(jìn)動(dòng)無法解釋廣義相對論的回答：43/百年勒維葉的猜測，火神星

9、（勒維葉與亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)海王星）2021/8/11 星期三362021/8/11 星期三37光線偏折廣義相對論： =1.75牛頓理論： =0.875實(shí)驗(yàn)觀測：（1915年：愛丁頓 西非普林西比; 巴西，陰雨） =1.98 0.12今天： =1.892021/8/11 星期三382021/8/11 星期三39引力波 廣義相對論預(yù)言：有引力波，以光速傳 播 J.H.Taylar,R.A.Hulse發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)雙星（PSR1913+16）軌道周期每年減少約萬 分之一秒，恰好可用引力輻射來解釋。（由于對脈沖雙星研究的貢獻(xiàn)獲1993年諾貝爾物理獎(jiǎng)，但未明確指明發(fā)現(xiàn)引力波。）2021/8/11 星期三402021

10、/8/11 星期三41愛因斯坦說： 狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，五年之內(nèi)就會(huì)有人發(fā)現(xiàn)。廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會(huì)有人發(fā)現(xiàn)！2021/8/11 星期三42愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得到正確的場方程：數(shù)學(xué)家對愛因斯坦的幫助2021/8/11 星期三43四、相對論的進(jìn)展 現(xiàn)代宇宙學(xué) 黑洞 奇性定理 時(shí)空隧道與時(shí)間機(jī)器 規(guī)范場2021/8/11 星期三44現(xiàn)代宇宙學(xué)愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型加入宇宙項(xiàng) （宇宙項(xiàng)）2021/8/11 星期三452021/8/11 星期三46暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)亮星暗物質(zhì)暗能量重子熱暗物質(zhì)(中微子)冷暗物質(zhì)起源于動(dòng)力學(xué)暗能量

11、廣義相對論在宇觀尺度失效0.5%4%0.3%29%65%2021/8/11 星期三47黑洞r(視界）r=0奇點(diǎn) t r洞外 時(shí)間 空間洞內(nèi) 空間 時(shí)間2021/8/11 星期三482021/8/11 星期三492021/8/11 星期三50信息疑難2020年7月21日,霍金 “我輸了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(John Preskill )2021/8/11 星期三51奇性疑難彭若斯與霍金的奇性定理: 時(shí)間一定有開始和結(jié)束 2021/8/11 星期三52宇宙中的蟲洞時(shí)空隧道與時(shí)間機(jī)器2021/8/11 星期三53規(guī)范場：1、愛因斯坦統(tǒng)一場論的思想2、魏爾（H.Weyl）的尺度變換理論 規(guī)范場3、愛因斯坦的反對意見4、?？伺c倫敦對魏爾理論的修正5、楊振寧對規(guī)范場的貢獻(xiàn)6、引力規(guī)范理論2021/8/11 星期三54五、愛因斯坦的主要成就1905 狹義相對論（受馬赫思想啟發(fā)） 光子說1915 廣義相對論（受馬赫思想啟發(fā)，得 到格羅思曼與希爾伯特的幫助） 其他成就：分子運(yùn)動(dòng)論，量子統(tǒng)計(jì)，激光 原理，統(tǒng)一場論，與哥本哈根 學(xué)派的論戰(zhàn)2021/8/11