爱因斯坦霍金与相对论的发展

1、 主讲：北京师范大学主讲：北京师范大学 赵峥教授赵峥教授 20042004年年1010月北师大月北师大0404届博士政治课讲座届博士政治课讲座 物含妙理总勘寻物含妙理总勘寻 颐和园铜亭颐和园铜亭 19431943年年8 8月出生于四川成都。月出生于四川成都。 19671967年毕业于中国科技大学物理系，年毕业于中国科技大学物理系， 19811981年于北京师范大学天文系获硕士学位（导师刘辽教授），年于北京师范大学天文系获硕士学位（导师刘辽教授）， 19871987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位年于布鲁塞尔自由大学获博士学位 （导师普利高津教授，诺贝尔奖金获得者）。（导师普利高津教授，诺贝尔奖金

2、获得者）。 曾任北京师范大学研究生院副院长，物理系主任。曾任北京师范大学研究生院副院长，物理系主任。 现为北京师范大学物理系教授，现为北京师范大学物理系教授， 理论物理博士生导师、理论物理博士生导师、 教育学博士生导师，教育学博士生导师， 中国引力与相对论天体物理学会理事长。中国引力与相对论天体物理学会理事长。 赵峥教授赵峥教授 赵峥教授长期从事理论物理的教学与研究，赵峥教授长期从事理论物理的教学与研究， 为本科生和研究生讲授过统计物理、量子力学、近代物理为本科生和研究生讲授过统计物理、量子力学、近代物理 学进展、物理学史、广义相对论、黑洞物理学和弯曲时空学进展、物理学史、广义相对论、黑洞物理

3、学和弯曲时空 量子场论等课程。量子场论等课程。 参加和承担过多项国家自然科学基金项目，在相对论、黑参加和承担过多项国家自然科学基金项目，在相对论、黑 洞物理等领域发表论文洞物理等领域发表论文100100余篇，余篇， 在黑洞热性质、时空奇点、钟速同步和热力学的关系等方在黑洞热性质、时空奇点、钟速同步和热力学的关系等方 面有创新性的工作。面有创新性的工作。 19861986年、年、19961996年两次获国家教委科技进步二等奖年两次获国家教委科技进步二等奖。 主要著作有主要著作有黑洞的热性质与时空奇异性黑洞的热性质与时空奇异性、黑洞黑洞 与弯曲的时空与弯曲的时空， 科普著作有科普著作有探求上帝的秘

4、密探求上帝的秘密- -从哥白尼到爱因斯从哥白尼到爱因斯 坦坦、物理学与人类文明物理学与人类文明，其中，其中黑洞的热性质黑洞的热性质 与时空奇异性与时空奇异性和和探求上帝的秘密探求上帝的秘密分获第分获第1111届和届和 第第1212届中国图书奖。届中国图书奖。 赵峥教授长期为学科教学论专业的研究生、课程班学赵峥教授长期为学科教学论专业的研究生、课程班学 生、教育硕士讲授生、教育硕士讲授“近代物理概论近代物理概论”、“爱因斯坦与爱因斯坦与 霍金的宇宙霍金的宇宙”等课程。等课程。 20002000年开始担任国家教育部中学年开始担任国家教育部中学科学课程标科学课程标 准准研制组组长，研制组组长，200

5、12001年开始主持编写初中年开始主持编写初中科学科学 试验教材，该教材已开始在部分地区试用。试验教材，该教材已开始在部分地区试用。 1642年年1月月8日，伽利略逝世，日，伽利略逝世， 同年圣诞节牛顿诞生同年圣诞节牛顿诞生 爱因斯坦（爱因斯坦（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周年的那一天霍金诞生了周年的那一天霍金诞生了 相对论（狭义相对论）：相对论（狭义相对论）：1905年年 广义相对论：广义相对论：1915年年 明年是相对论发表明年是相对论发表100周年，爱因斯坦逝世周年，爱因斯坦逝世50周年周

6、年 谨以本讲座做为纪念活动的前奏！ 爱因斯坦生平爱因斯坦生平： 1879年年3月月14日日 诞生于德国乌尔姆诞生于德国乌尔姆 中小学时代中小学时代 德国慕尼黑德国慕尼黑 1895年年 瑞士阿劳中学补习班一年瑞士阿劳中学补习班一年 18961900年年 苏黎世工业大学苏黎世工业大学 19021909年年 伯尔尼发明专利局伯尔尼发明专利局 19091914年年 进入大学工作进入大学工作 （瑞士、布拉格等地）（瑞士、布拉格等地） 19141933年年 德国物理研究所所长，德国物理研究所所长， 柏林大学教授，院士柏林大学教授，院士 1915年年 提出广义相对论提出广义相对论 19331955年年 美国

7、普林斯顿大学高级研究所美国普林斯顿大学高级研究所 科研情况（发表论文）：科研情况（发表论文）： 19011901年发表论文年发表论文1 1篇篇 19021902年发表论文年发表论文2 2篇篇 19031903年发表论文年发表论文1 1篇篇 19041904年发表论文年发表论文1 1篇篇 19051905年发表论文年发表论文5 5篇篇 测定分子的大小（博士论文）测定分子的大小（博士论文） 布朗运动布朗运动 相对论相对论 Emc2 光子说光子说 相对论（狭义相对论相对论（狭义相对论 Special RelativitySpecial Relativity） 光是电磁波，是以太的波动光是电磁波，是以

8、太的波动 理论上的困难理论上的困难 麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论 作为相对性原作为相对性原 理表达式的伽理表达式的伽 利略变换利略变换 光速对不同参光速对不同参 考系应不同，考系应不同， 不应是同一个不应是同一个 C值值 光速光速C是一个常数是一个常数 实验上的困难实验上的困难 地球相对于以太运动吗？地球相对于以太运动吗？ 光行差现象：地球相对以太有运动光行差现象：地球相对以太有运动 e e s 光 光 镜筒指向 下雨 镜筒运动 v v 迈克尔逊实验：未测到以太漂移（迈克尔逊实验：未测到以太漂移（1887年）年） M2 M1 观测者 洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（洛伦兹等人为解释迈克尔

9、逊实验提出（1892年）年） 洛伦兹收缩洛伦兹收缩 2 2 0 1 c v LL x=x-vt y=y z=z t=t 2 2 1 c v vtx 2 2 2 1 c v x c v t x= y=y z=z t= 洛伦兹变换洛伦兹变换伽利略变换伽利略变换 洛伦兹的观点洛伦兹的观点 放弃相对性原理放弃相对性原理 麦克斯韦电磁理论只对绝对空间正确麦克斯韦电磁理论只对绝对空间正确 （光相对绝对空间的速度是（光相对绝对空间的速度是c c） 存在洛伦兹收缩存在洛伦兹收缩 用洛伦兹变换取代伽利略变换用洛伦兹变换取代伽利略变换 （两种变换不仅数学形式不同，而且物理解释（两种变换不仅数学形式不同，而且物理解

10、释 也不同）也不同） 1905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下 光行差现象光行差现象 斐索实验斐索实验 （迈克尔逊实验）（迈克尔逊实验） 从从 相对论原理相对论原理 光速不变原理光速不变原理 爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对，爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对， 洛伦兹称其为相对论洛伦兹称其为相对论 洛伦兹变换洛伦兹变换 考虑考虑 相对论提出相对论提出 动尺收缩，动尺收缩， 动钟变慢，动钟变慢， 双生子佯谬，双生子佯谬， 2 mCE 2、广义相对论（、广义相对论（General Relativity） 1）狭义相对论的两个困难）狭义相对论的两个困难 2）广义相

11、对论的物理基础）广义相对论的物理基础 3）广义相对论的数学基础）广义相对论的数学基础 4）广义相对论的核心）广义相对论的核心 5）实验验证）实验验证 1 1）狭义相对论的两个困难）狭义相对论的两个困难 惯性系无法定义惯性系无法定义 万有引力定律纳不进相对论框架万有引力定律纳不进相对论框架 2 2）广义相对论的物理基础）广义相对论的物理基础 广义相对性原理广义相对性原理 等效原理等效原理 马赫原理马赫原理 空间曲空间曲 率率 平行线平行线三角形三角形 三内角三内角 之和之和 圆周率圆周率举例举例 黎氏几何黎氏几何正正无无1800球面球面 欧氏几何欧氏几何零零一条一条1800平面平面 罗氏几何罗氏

12、几何负负两条以两条以 上上 伪球面伪球面 欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切夫欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切夫 斯基）、黎氏几何斯基）、黎氏几何 3 3）广义相对论的数学基础）广义相对论的数学基础: : 黎曼几何与张量分析黎曼几何与张量分析 4 4）广义相对论的核心）广义相对论的核心 场方程场方程 运动方程运动方程 万有引力不是真正的力，是万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现时空弯曲的表现 行星绕日运动行星绕日运动 时空曲率 物质 物质使时空弯曲物质使时空弯曲 测地线方程 （伽利略的有（伽利略的有 趣趣“错误错误”） 地球上的自由落体运动地球上的自由落体运动 都是惯性运动都是惯性

13、运动 TRgR 2 1 0 2 22 ds dx ds dx ds xd n 5 5）实验验证）实验验证 引力红移、引力红移、 光线偏折、光线偏折、 行星轨道近日点的进动行星轨道近日点的进动 3 3、膨胀的宇宙、膨胀的宇宙 1915年 广义相对论 1917年 爱因斯坦：有限无边均匀静态宇宙 1922年 弗利德曼：膨胀或脉动的宇宙 1929年 哈勃定律：VHD 1948年 、的大爆炸模型（伽莫夫） 1965年 发现微波背景辐射（彭齐亚斯、威尔逊） 1979年 古斯（A.Guth）暴胀模型 宇宙项： 宇宙项 （1917年提出，1923年放弃） TRgR 2 1 4 8 C G g TgRgR 2

14、1 亮星亮星 0.5 重子重子 4 中微子中微子 0.3 冷暗物质冷暗物质 29 起源于起源于 动力学暗能量动力学暗能量 GR在宇观尺度失效在宇观尺度失效 物物 质质 暗物质与暗能量暗物质与暗能量 暗物质暗物质 暗能量暗能量65 r GMm 2 1 2 mcr 2 2 c GM 4 4、黑洞、黑洞 1 1）从牛顿理论预言（）从牛顿理论预言（200200年前，拿破仑时代）年前，拿破仑时代） 米歇尔（米歇尔（17831783） 拉普拉斯（拉普拉斯（17961796） 最亮的星有可能是看不见的最亮的星有可能是看不见的 ( 暗星暗星) 天体力学天体力学 第一版（第一版（1796年）、年）、 第二版（第

15、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”的预言的预言 原因：原因： 18011801年托马斯年托马斯杨完成干涉实验，杨完成干涉实验， 光的波动说（惠更斯）战胜微粒说（牛顿）光的波动说（惠更斯）战胜微粒说（牛顿） 神童、奇才托马斯神童、奇才托马斯杨（杨（Thoms Young） 英国人英国人 2 2）从广义相对论预言）从广义相对论预言 1916年年 史瓦西解，史瓦西时空中的奇点与奇面史瓦西解，史瓦西时空中的奇点与奇面 1939年奥本海默从年奥本海默从GR预言黑洞，预言黑洞，r= (静态，球对称静态，球对称) （遭到爱因斯坦（遭到爱因斯坦,

16、 爱丁顿，惠勒等人反对）爱丁顿，惠勒等人反对） 当时已经发现白矮星（天狼当时已经发现白矮星（天狼B星）并已预言了中子星）并已预言了中子 星（星（1932年朗道）年朗道） 2 2 c GM 3 3）白矮星与中子星）白矮星与中子星 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， 距我们距我们9光年光年 青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。 操余弧兮反沦降，援北斗兮酌桂浆。 屈原九歌（七）东君 老夫聊发少年狂，左牵黄，右擎苍。 锦帽貂裘，千骑卷平冈。 欲报倾城随太守，亲射虎，看孙郎。 酒酣胸胆尚开张，鬓微霜，又何妨！ 持节云中，何日遣冯唐？ 会挽雕弓如满月，西北望，射天狼。

17、苏东坡江城子 密州出猎 18341834年发现天狼星位置有周期性变化年发现天狼星位置有周期性变化 天狼天狼B星是白矮星，密度星是白矮星，密度175kgcm3，表面，表面 温度温度1万度万度1862年发现天狼伴星（年发现天狼伴星（B 星）星） 白矮星靠电子间泡力斥力支撑。白矮星靠电子间泡力斥力支撑。 钱德拉塞卡：相对论性电子气；钱德拉塞卡：相对论性电子气； 白矮星质量上限白矮星质量上限1.4M 钱德拉塞卡与爱丁顿的争论，泡力的观点钱德拉塞卡与爱丁顿的争论，泡力的观点 B、中子星与奥本海默极限、中子星与奥本海默极限 中子的发现：中子的发现： 约里奥约里奥居里夫妇（居里夫妇（1931年）年） 查德维

18、克（查德维克（1932年）年） 1935年的诺贝尔物理奖与化学奖年的诺贝尔物理奖与化学奖 中子的预言：中子的预言： 1932年郎道年郎道 中子星的质量上限中子星的质量上限 23M： 1939年奥本海默年奥本海默 中子星中子星(脉冲星脉冲星)的发现的发现 1967年年 休伊士与贝尔休伊士与贝尔 巡天观测，巡天观测， “小绿人小绿人” C、主序星、白矮星、中子星与黑洞的比较、主序星、白矮星、中子星与黑洞的比较 星体星体半径半径( (公里公里) )密度密度 (/cm(/cm3 3) ) 发现时间发现时间质量上限质量上限 （MM） 太阳太阳7070万万1 1克克 白矮白矮 星星 1 1万万1 1吨吨1

19、8621862年（天狼年（天狼 伴星）伴星） 1.41.4 中子中子 星星 10101010亿亿 吨吨 19671967年（脉冲年（脉冲 星）星） 2 23 3 黑洞黑洞3 3100100 亿吨亿吨 4 4）黑洞研究的高速发展（）黑洞研究的高速发展（1963-19741963-1974） 1961 年年 Kerr解解 转动、轴对称时空转动、轴对称时空 1964年年 奇性定理奇性定理 1967年年 中子星的发现、无毛定理中子星的发现、无毛定理 1971年年 面积定理面积定理 1972年年1974年年 黑洞热力学黑洞热力学 1974年年 霍金辐射霍金辐射 80年代后年代后 无重大进展无重大进展 A

20、 A、黑洞热力学的建立（主要几步）、黑洞热力学的建立（主要几步） 无毛定理，无毛定理，M，Q，J （1967年，伊斯雷尔等）年，伊斯雷尔等） 面积定理面积定理 （1971年年 ，霍金），霍金） 黑洞面积就是熵黑洞面积就是熵 （1972年，年， 贝根斯坦）贝根斯坦） A 0 ,即即S 0 Bekenstein 公式：公式： 转动带电刚体：转动带电刚体： 普通热力学普通热力学 霍金等人反对，但给出黑洞力学四定律霍金等人反对，但给出黑洞力学四定律 （1973 年）年） Unruh效应：在真空中做匀加速直线运动的观测效应：在真空中做匀加速直线运动的观测 者，发现自己处于热浴之中，者，发现自己处于热浴之

21、中，Ta 霍金辐射霍金辐射：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射，：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射， TK VdQdJdA K dM 8 VdQdJTdSdU PdVTdSdU B、关于奇点定理关于奇点定理 黑洞与白洞的奇点、奇环，大爆炸宇宙的奇点黑洞与白洞的奇点、奇环，大爆炸宇宙的奇点 卡拉特尼可夫与栗弗席兹的错误卡拉特尼可夫与栗弗席兹的错误 彭若斯的工作，奇点看作时间的开始与结束。（彭若斯的工作，奇点看作时间的开始与结束。（1964年）年） 霍金的工作，（彭若斯与霍金霍金的工作，（彭若斯与霍金 1969） 奇性定理指出：时间一定有开始和结束。奇性定理指出：时间一定有开始和结束。 此定理极为重要，但可能未做到头，且首功属于此定理极为重要，但可能未做到头，且首功属于Penrose. 5 5、爱因斯坦、