第1講 愛因斯坦

第一講愛因斯坦

和

量子論與相對論的誕生一、物理學(xué)的開端二、愛因斯坦的豐收年三、相對論的建立四、狹義相對論物理學(xué)（Physics）這個(gè)詞起源于亞歷士多德公元前300多年，古希臘蘇格拉底柏拉圖亞歷士多德一、物理學(xué)的開端阿基米德

（亞歷山大科學(xué)院，前287-前212年）浮力定律杠桿原理“給我支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球！”重心的概念阿基米德“物理學(xué)”真正開始于伽利略他使物理學(xué)成為一門“實(shí)驗(yàn)的科學(xué)”、“測量的科學(xué)”“伽利略的發(fā)現(xiàn)及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一。它標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端”——愛因斯坦在經(jīng)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)）基礎(chǔ)上進(jìn)行假設(shè)及邏輯推論從而得出正確結(jié)論的思想方法。1642年（對物理學(xué)重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣誕節(jié)之夜牛頓出生（儒略歷1642.12.25格利高里歷1643.1.4）伽利略慣性定律相對性原理自由落體定律慣性定律虛空中運(yùn)動(dòng)的原子，由于沒有阻力，將一直等速運(yùn)動(dòng)下去（公元前400年左右，德謨克利特等古希臘哲學(xué)家）伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)相對性原理地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也。 漢《尚書緯?考靈曜》伽利略《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）《兩門新科學(xué)》（1638年）自由落體定律比薩斜塔上的自由落體實(shí)驗(yàn)伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)斜面運(yùn)動(dòng)是“減緩了的”或“沖淡了的”自由落體運(yùn)動(dòng)。牛頓集經(jīng)典力學(xué)之大成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（45歲）《光學(xué)》（65歲）牛頓的物理體系絕對時(shí)間絕對空間慣性系相對性原理力學(xué)三定律萬有引力定律自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中上帝說，讓牛頓去吧，于是一切成為光明?！ㄆ漳怪俱懀７隆秳?chuàng)世紀(jì)》）“NatureandNature’slawlayhidinnight,GodsaidletNewtonbeandallwaslight”光學(xué)牛頓的微粒說戰(zhàn)勝惠更斯的波動(dòng)說1801年，托馬斯·楊的干涉實(shí)驗(yàn)波動(dòng)說戰(zhàn)勝微粒說波動(dòng)光學(xué)光既是波動(dòng)就應(yīng)有載體亞歷士多德月上世界月下世界波動(dòng)光學(xué)光是以太的彈性振動(dòng)電磁學(xué)光波是電磁波麥克斯韋從介質(zhì)的彈性振動(dòng)導(dǎo)出了電磁學(xué)的基本方程組熱學(xué)熱力學(xué)第一定律（能量守恒）。邁爾，焦耳，亥姆霍茲熱力學(xué)第二定律（卡諾定理）?？ㄖZ，克勞修斯卡諾從熱質(zhì)說“導(dǎo)出”了卡諾定理熱力學(xué)第三定律。能斯特?zé)崃W(xué)第零定律二、愛因斯坦的豐收年

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)。黑體輻射邁克爾遜實(shí)驗(yàn)量子論（1900年）相對論（1905年）量子論的誕生量子論光子論愛因斯坦解釋光電效應(yīng)1905愛因斯坦生平（Ⅰ）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1902-1909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 （“奧林匹亞科學(xué)院”）愛因斯坦的豐收年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）

5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）愛因斯坦生平（Ⅱ）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1933-1955美國普林斯頓大學(xué)高級研究所研究員1955年4月18日逝世

愛因斯坦對學(xué)校教育持批評態(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”希爾伯特：沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了三、相對論的建立

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)。邁克耳孫實(shí)驗(yàn)（1881，1887）：沒有測出這一運(yùn)動(dòng)。1.光行差現(xiàn)象2.邁克爾遜實(shí)驗(yàn)c+vc-v邁克爾遜沒有觀測到以太漂移

矛盾第二朵烏云：實(shí)驗(yàn)光行差現(xiàn)象洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換（速度疊加的平行四邊形法則）3.伽利略變換（任意兩個(gè)慣性系間的相對變換）伽利略變換下的速度迭加（平行四邊形法則）麥克斯韋理論在伽利略變換下會(huì)變化從伽利略變換推不出洛侖茲收縮伽利略變換矛盾電磁理論

洛侖茲收縮4.洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換（洛倫茲的解釋）用洛倫茲變換①可推出洛倫茲收縮②麥克斯韋電磁理論不變代價(jià)是放棄了“相對性原理”5.愛因斯坦的探索愛因斯坦贊同馬赫對牛頓絕對時(shí)空觀的批評（《力學(xué)史評》）“相對性原理”是一條根本性原理，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持從“斐佐實(shí)驗(yàn)”與“光行差現(xiàn)象”的矛盾，愛因斯坦認(rèn)識到應(yīng)該放棄以太理論從雙星軌道不發(fā)生形變知道光速與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)認(rèn)識到光速的絕對性，推出“光速不變原理”雙星軌道不變形麥克斯韋理論中電磁波速（光速）是常數(shù)c 支持光速不變原理（光速的絕對性）6.愛因斯坦的新理論相對性原理光速不變原理洛倫茲變換（愛因斯坦的解釋）愛因斯坦：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)慣性系之間的相對變換

是相對速度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：相對論相對論認(rèn)為“同時(shí)”是相對的（早已認(rèn)識到“同地”是相對的）動(dòng)鐘變慢：時(shí)間是相對的動(dòng)尺收縮：

空間是相對的質(zhì)能關(guān)系：四.狹義相對論兩個(gè)作相對運(yùn)動(dòng)的慣性系洛倫茲變換（1）逆變換（2）1.同時(shí)的相對性2.動(dòng)鐘變慢對S系，A是動(dòng)鐘，A靜置于S’系中，從（4）式得對S’系，B是動(dòng)鐘，B靜置于S系中，從（3）式得，

（6）3.動(dòng)尺收縮在慣性系中靜止的，長度的尺，在系中同時(shí)測量其兩端（即系中的時(shí)間與分別為測量尺的前后兩端的時(shí)刻，由于同時(shí)測尺的兩端，所以），從（1）式推出的

得到長度（7）4.速度迭加

（8）

注意：從上式可知，通過速度迭加不可能超光速5.靜質(zhì)量與動(dòng)質(zhì)量（9）6.質(zhì)能關(guān)系（10）（11）質(zhì)量與能量是同一事物的兩個(gè)側(cè)面，不是質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化7.經(jīng)典力學(xué)的動(dòng)能（12）經(jīng)典物理中的動(dòng)能（13）8.世界線四維時(shí)空中的世界線（14）9.固有時(shí)（14）式中當(dāng)時(shí)，稱（15）為固有時(shí)，當(dāng)不為0時(shí)

（16）其中“固有時(shí)”就是質(zhì)點(diǎn)（觀測者）世界線的長度，也就是質(zhì)點(diǎn)（觀測者）自身經(jīng)歷的時(shí)間10.雙生子佯謬雙生子佯謬

（17）（18）

愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅(jiān)持相對性原理（2）認(rèn)識到光速是絕對的（3）時(shí)間能量

空間動(dòng)量究竟是誰創(chuàng)建了相對論？1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902龐卡萊（彭加勒）否認(rèn)絕對空間，絕對時(shí)間（但仍承認(rèn)有以太）批評相對于絕對空間的動(dòng)尺收縮假設(shè)，認(rèn)為“相對性原理”適用于電磁理論1904洛倫茲部分接受龐卡萊批評提出地方時(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

1904龐卡萊·正確表述“相對性原理”·提到用光信號對鐘，但認(rèn)為得到的是地方時(shí)間，不是真實(shí)