愛(ài)因斯坦、霍金與相對(duì)論的發(fā)展

愛(ài)因斯坦、霍金與相對(duì)論的發(fā)展主講：北京師范大學(xué)趙崢教授

2004年10月北師大04屆博士政治課講座物含妙理總勘尋－－頤和園銅亭1943年8月出生于四川成都。1967年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系，1981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），1987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(jiǎng)金獲得者）。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)，物理系主任?，F(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師，中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。

趙崢教授趙崢教授長(zhǎng)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(guò)統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、近代物理學(xué)進(jìn)展、物理學(xué)史、廣義相對(duì)論、黑洞物理學(xué)和彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論等課程。參加和承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，在相對(duì)論、黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100余篇，在黑洞熱性質(zhì)、時(shí)空奇點(diǎn)、鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性的工作。1986年、1996年兩次獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

主要著作有《黑洞的熱性質(zhì)與時(shí)空奇異性》、《黑洞與彎曲的時(shí)空》，科普著作有《探求上帝的秘密-從哥白尼到愛(ài)因斯坦》、《物理學(xué)與人類文明》，其中《黑洞的熱性質(zhì)

與時(shí)空奇異性》和《探求上帝的秘密》分獲第11屆和第12屆中國(guó)圖書獎(jiǎng)。

趙崢教授長(zhǎng)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“近代物理概論”、“愛(ài)因斯坦與霍金的宇宙”等課程。2000年開(kāi)始擔(dān)任國(guó)家教育部中學(xué)《科學(xué)課程標(biāo)

準(zhǔn)》研制組組長(zhǎng)，2001年開(kāi)始主持編寫初中《科學(xué)》試驗(yàn)教材，該教材已開(kāi)始在部分地區(qū)試用。

1642年1月8日，伽利略逝世，同年圣誕節(jié)牛頓誕生愛(ài)因斯坦（1879年3月14日～1955年4月18日）霍金（1942年2月18日～）伽利略逝世300周年的那一天霍金誕生了相對(duì)論（狹義相對(duì)論）：1905年廣義相對(duì)論：1915年明年是相對(duì)論發(fā)表100周年，愛(ài)因斯坦逝世50周年

謹(jǐn)以本講座做為紀(jì)念活動(dòng)的前奏！愛(ài)因斯坦生平：1879年3月14日誕生于德國(guó)烏爾姆中小學(xué)時(shí)代德國(guó)慕尼黑1895年瑞士阿勞中學(xué)補(bǔ)習(xí)班一年1896～1900年蘇黎世工業(yè)大學(xué)1902～1909年

伯爾尼發(fā)明專利局1909～1914年進(jìn)入大學(xué)工作（瑞士、布拉格等地）1914～1933年德國(guó)物理研究所所長(zhǎng)，柏林大學(xué)教授，院士1915年提出廣義相對(duì)論1933～1955年美國(guó)普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所科研情況（發(fā)表論文）：1901年發(fā)表論文1篇1902年發(fā)表論文2篇1903年發(fā)表論文1篇1904年發(fā)表論文1篇1905年發(fā)表論文5篇測(cè)定分子的大小（博士論文）布朗運(yùn)動(dòng)相對(duì)論E＝mc2光子說(shuō)相對(duì)論（狹義相對(duì)論

SpecialRelativity）

光是電磁波，是以太的波動(dòng)理論上的困難麥克斯韋電磁理論作為相對(duì)性原理表達(dá)式的伽利略變換

光速對(duì)不同參考系應(yīng)不同，不應(yīng)是同一個(gè)C值光速C是一個(gè)常數(shù)實(shí)驗(yàn)上的困難地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)嗎？光行差現(xiàn)象：地球相對(duì)以太有運(yùn)動(dòng)邁克爾遜實(shí)驗(yàn)：未測(cè)到以太漂移（1887年）洛倫茲等人為解釋邁克爾遜實(shí)驗(yàn)提出（1892年）洛倫茲收縮x’=x-vty’=yz’=zt’=tx’=y’=yz’=zt’=洛倫茲變換伽利略變換洛倫茲的觀點(diǎn)放棄相對(duì)性原理麥克斯韋電磁理論只對(duì)絕對(duì)空間正確（光相對(duì)絕對(duì)空間的速度是c）存在洛倫茲收縮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，而且物理解釋也不同）1905年愛(ài)因斯坦在不知道洛倫茲工作的情況下光行差現(xiàn)象斐索實(shí)驗(yàn)（邁克爾遜實(shí)驗(yàn)）從相對(duì)論原理

光速不變?cè)韾?ài)因斯坦的理論受到洛倫茲的反對(duì)，洛倫茲稱其為相對(duì)論洛倫茲變換考慮相對(duì)論提出動(dòng)尺收縮，動(dòng)鐘變慢，雙生子佯謬，2、廣義相對(duì)論（GeneralRelativity）1）狹義相對(duì)論的兩個(gè)困難2）廣義相對(duì)論的物理基礎(chǔ)3）廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)4）廣義相對(duì)論的核心5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1）狹義相對(duì)論的兩個(gè)困難慣性系無(wú)法定義萬(wàn)有引力定律納不進(jìn)相對(duì)論框架2）廣義相對(duì)論的物理基礎(chǔ)廣義相對(duì)性原理等效原理馬赫原理空間曲率平行線三角形三內(nèi)角之和圓周率舉例黎氏幾何正無(wú)>1800<π球面歐氏幾何零一條＝1800＝π平面羅氏幾何負(fù)兩條以上<1800>π偽球面歐氏幾何、羅氏幾何（鮑耶、高斯、羅巴切夫斯基）、黎氏幾何3）廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ):黎曼幾何與張量分析4）廣義相對(duì)論的核心場(chǎng)方程運(yùn)動(dòng)方程萬(wàn)有引力不是真正的力，是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運(yùn)動(dòng)

時(shí)空曲率物質(zhì)

物質(zhì)使時(shí)空彎曲

測(cè)地線方程

（伽利略的有趣“錯(cuò)誤”）地球上的自由落體運(yùn)動(dòng)都是慣性運(yùn)動(dòng)5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證引力紅移、光線偏折、行星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)3、膨脹的宇宙1915年廣義相對(duì)論1917年愛(ài)因斯坦：有限無(wú)邊均勻靜態(tài)宇宙1922年弗利德曼：膨脹或脈動(dòng)的宇宙1929年哈勃定律：V＝HD1948年α、β、γ的大爆炸模型（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(xiàng)：宇宙項(xiàng)（1917年提出，1923年放棄）

亮星0.5％重子4％中微子0.3％冷暗物質(zhì)29％起源于λ動(dòng)力學(xué)暗能量GR在宇觀尺度失效物質(zhì)暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)

暗能量65％4、黑洞1）從牛頓理論預(yù)言（200年前，拿破侖時(shí)代）米歇爾（1783）拉普拉斯（1796）≥

≤最亮的星有可能是看不見(jiàn)的(暗星)《天體力學(xué)》第一版（1796年）、第二版（1799年）、第三版（1808年）

第三版中去掉“暗星”的預(yù)言原因：1801年托馬斯·楊完成干涉實(shí)驗(yàn)，光的波動(dòng)說(shuō)（惠更斯）戰(zhàn)勝微粒說(shuō)（牛頓）神童、奇才－托馬斯·楊（ThomsYoung）英國(guó)人2）從廣義相對(duì)論預(yù)言＊1916年史瓦西解，史瓦西時(shí)空中的奇點(diǎn)與奇面＊1939年奧本海默從GR預(yù)言黑洞，r=(靜態(tài)，球?qū)ΨQ)（遭到愛(ài)因斯坦,愛(ài)丁頓，惠勒等人反對(duì)）當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星（天狼B星）并已預(yù)言了中子星（1932年朗道）

3）白矮星與中子星A、天狼星（大犬座α）天空中最亮的恒星，距我們9光年青云衣兮白霓裳，舉長(zhǎng)矢兮射天