赵峥：爱因斯坦与物理学的革命

1、-纪念相对论诞生纪念相对论诞生100周年暨爱周年暨爱因斯坦逝世因斯坦逝世50周年周年 赵峥 北京师范大学物理系一一. 两朵乌云两朵乌云二二. 狭义相对论狭义相对论三三. 弯曲的时空弯曲的时空广义相对论广义相对论四四. 相对论的进展相对论的进展五五. 爱因斯坦的成就与影响爱因斯坦的成就与影响一一. 两朵乌云两朵乌云 1900，开尔文勋爵：，开尔文勋爵： 物理学的大厦已经建成，未来物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。但是，明朗的天空还工作就行了。但是，明朗的天空还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈

2、克尔逊实验有关另一朵与迈克尔逊实验有关。第一朵乌云：黑体辐射第一朵乌云：黑体辐射 量子论量子论第二朵乌云：迈克尔逊实验第二朵乌云：迈克尔逊实验 相对论相对论19001905量子论的诞生量子论的诞生量子说量子说 光子说光子说爱因斯坦解释光电效应爱因斯坦解释光电效应1905爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（）w 1879.3.14 诞生于德国乌尔姆诞生于德国乌尔姆w 中，小学时代中，小学时代 德国慕尼黑德国慕尼黑w 1895-1896 瑞士阿劳中学一年瑞士阿劳中学一年w 1896-1900 苏黎士工业大学学习苏黎士工业大学学习w 1900-1902 艰辛求职，四面碰壁艰辛求职，四面碰壁 爱因斯坦对学校教

3、育持批评态度，一生中爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教育没有好印象。育没有好印象。 他高度评价阿劳中学的教学：他高度评价阿劳中学的教学： “这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论的土壤的土壤”w 1902-1909 伯尔尼发明专利局工作伯尔尼发明专利局工作w 初期科研情况：初期科研情况： 1901-1篇论文篇论文 19

4、02-2篇论文篇论文 1903-1篇论文篇论文 1904-1篇论文篇论文希尔伯特：希尔伯特： 没有比专利局对爱因斯坦没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了更适合的工作单位了 空闲、宽容空闲、宽容爱因斯坦的丰收年爱因斯坦的丰收年（26岁）岁）w 1905-5篇篇 3月月 解释光电效应解释光电效应光子说（光子说（6月月 发表）发表） 4月月 博士论文：测定分子大小的新博士论文：测定分子大小的新 方法（方法（4月提交）月提交） 5月月 解释布朗运动（解释布朗运动（7月发表）月发表）6月月 “论运动物体的电动力论运动物体的电动力学学”狭义相对论（狭义相对论（9月发表）月发表）9月月 （11月发表）月

5、发表）2mCE 爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（） 1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布进入大学工作（苏黎士，布 拉格等地）拉格等地） 1914-1933 柏林大学教授，德国物理研柏林大学教授，德国物理研 究所所长究所所长、院士院士 1915 提出广义相对论提出广义相对论（36岁）岁） 1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究美国普林斯顿大学高级研究 所研究员所研究员 1955年4月18日 逝世二二.狭义相对论狭义相对论 光波是光波是“以太以太”的弹性振动。的弹性振动。 以太相对于地球运动吗？以太相对于地球运动吗？ 光行差现象（光行差现象（1728，1810）：以太相）：以太相 对于地

6、球有运动。对于地球有运动。 迈克尔逊实验（迈克尔逊实验（1881，1887）：没有）：没有 测出这一运动测出这一运动。洛伦兹的解释：洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：洛伦兹收缩：220/1cvllx=x-vty=yz=zt=t伽利略变换伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）（速度叠加的平行四边形法则）22222/1/ )/(/1/ )(cvcvxttzzyycvvtxx洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换爱因斯坦的新理论爱因斯坦的新理论相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理洛伦兹变换洛伦兹变换不存在绝对空间，一切运动都

7、是相对的不存在绝对空间，一切运动都是相对的洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换V是相对速度是相对速度爱因斯坦：爱因斯坦：洛伦兹反对爱因斯坦的观点，洛伦兹反对爱因斯坦的观点，给爱因斯坦的理论起了个名字：给爱因斯坦的理论起了个名字： 相对论相对论相对论认为“同时”是相对的动尺收缩： 空间是相 对的动钟变慢： 时间是相 对的质能关系：2mCE 22/1/cvdtdT220/1/cvll是静钟是动钟，dTdt双生子佯谬A ABpqtx双生子佯谬双生子佯谬2222222dxc1-dtd dydxds伪欧时空欧几里德空间 爱因斯坦的创新之处：爱因斯坦的创新之处：（1）坚

8、持相对性原理）坚持相对性原理（2）认识到光速是绝对的（）认识到光速是绝对的（最困难的思想突破最困难的思想突破）（3）时间）时间 能量能量 空间空间 动量动量究竟是谁创造了相对论？究竟是谁创造了相对论？w 历史：历史：1892 洛伦兹斐兹杰惹收缩洛伦兹斐兹杰惹收缩 （1892） （1889，1893）1902 彭卡莱否认绝对空间，绝对时间彭卡莱否认绝对空间，绝对时间 （但仍承认有以太）（但仍承认有以太） 批评相对于绝对空间的动尺收缩假设，批评相对于绝对空间的动尺收缩假设， 认为认为“相对性原理相对性原理”适用于电磁理论适用于电磁理论220.cv-1ll w 1904 洛伦兹部分接受彭卡莱批评洛伦

9、兹部分接受彭卡莱批评 提出地方时间提出地方时间 （非真实时间）（非真实时间） 给出洛伦兹变换给出洛伦兹变换 （1887 佛格特，佛格特，1898 拉摩）拉摩） 电子质量公式电子质量公式 220cv-1mm 222cv-1xcv-tt w 1904 彭卡莱彭卡莱 正确表述正确表述“相对性原理相对性原理” 提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间。不是真实时间。 推测真空中光速推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；是常数，且可能是极限速度；w 1905 爱因斯坦发表相对论爱因斯坦发表相对论 （论运动物体的电动力学）（论运动物体的电动力学）

10、只有他认识到只有他认识到（1）必须彻底抛弃绝对空间（以太）必须彻底抛弃绝对空间（以太） 必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）（2）“同时同时”是相对的，可以用光来对钟，定是相对的，可以用光来对钟，定义义“同时同时”（3）新理论是一个时空理论）新理论是一个时空理论w 杨振宁教授杨振宁教授洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论，不从哲学角度考虑论，不从哲学角度考虑彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼

11、光彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题, 不从实验和不从实验和测量的角度考查测量的角度考查爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥奥林匹亚学院林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。理型的。三三.弯曲的时空弯曲的时空广义相对论广义相对论（1）惯性系无法定义）惯性系无法定义（2）万有引力定律纳不进相对论体）万有引力定律纳不进相对论体系系伽

12、利略受审伽利略受审牛顿与苹果落地牛顿与苹果落地引力场引力场=惯性场惯性场 (局域局域) 等效原理等效原理 广义相对性原理广义相对性原理广义相对论广义相对论Igmm 万有引力不是真正的力，而是时空弯曲万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现的表现行星绕日运动是惯性运动（伽利略的行星绕日运动是惯性运动（伽利略的“错误错误”）地球上的自由落体运动是惯性运动地球上的自由落体运动是惯性运动弯曲的时空弯曲的时空 时间时间 能量能量 空间空间 动量动量 kTRgR21时空曲率时空曲率物质物质爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程：爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程：kTRgR21爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场

13、方程：爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程：TR数学家对爱因斯坦的帮助数学家对爱因斯坦的帮助广义相对论的三个实验验证广义相对论的三个实验验证（1） 引力红移引力红移（2） 水星进动水星进动（3） 光线偏折光线偏折水星轨道近日点的进动水星轨道近日点的进动5600.73 0.41/百年，（观测）百年，（观测）5557.62 0.20/百年，（计算）百年，（计算）43.11/百年的进动无法百年的进动无法解释广义相对论的回答：广义相对论的回答：43/百年百年勒维叶的猜测，火神星勒维叶的猜测，火神星（勒维叶与亚当斯发现海王星）（勒维叶与亚当斯发现海王星）光线偏折光线偏折广义相对论：广义相对论： =1

14、.75牛顿理论：牛顿理论： =0.875实验观测：实验观测：（1918年：爱丁顿年：爱丁顿 西非普林西比西非普林西比; ; 巴西，阴雨）巴西，阴雨） =1.98 0.12今天：今天： =1.89爱因斯坦说：爱因斯坦说： 狭义相对论如果我不发现，狭义相对论如果我不发现，五年之内就会有人发现。五年之内就会有人发现。广义相对论如果我不发现，广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现！年之内也不会有人发现！四、相对论的进展四、相对论的进展相对论的进展相对论的进展 引力波引力波 现代宇宙学现代宇宙学 黑洞黑洞 奇性定理奇性定理 时空隧道与时间机器时空隧道与时间机器 规范场规范场引力波引力波 广义相

15、对论预言：有引力波，以光速传广义相对论预言：有引力波，以光速传 播播 J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉冲双星发现脉冲双星（PSR1913+16）轨道周期每年减少约万）轨道周期每年减少约万 分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。（由于对脉冲双星研究的贡献获（由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺年诺贝尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）贝尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）现代宇宙学现代宇宙学爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型加入宇宙项加入宇宙项 kTgRgRkTRgR2121（宇宙项）暗物质与暗能量暗物质与暗能量物质

16、亮星暗物质暗能量重子热暗物质(中微子)冷暗物质起源于动力学暗能量广义相对论在宇观尺度失效0.5%4%0.3%29%65%黑洞黑洞r22cGMr (视界）r=0奇点 t r洞外洞外 时间时间 空间空间洞内洞内 空间空间 时间时间信息疑难信息疑难2004年年7月月21日日,霍金霍金 “我输了我输了”霍金霍金(S.W.Hawking)索恩索恩(Kip.Throne)普瑞斯基普瑞斯基(John Preskill )奇性疑难奇性疑难彭若斯与霍金的奇性定理彭若斯与霍金的奇性定理: 时间一定有开始和结束时间一定有开始和结束 宇宙中的虫洞宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器时空隧道与时间机器规范场：规范场：1、爱因

17、斯坦统一场论的思想、爱因斯坦统一场论的思想2、魏尔（、魏尔（H.Weyl）的尺度变换理论）的尺度变换理论 规范场规范场3、爱因斯坦的反对意见、爱因斯坦的反对意见4、福克与伦敦对魏尔理论的修正、福克与伦敦对魏尔理论的修正5、杨振宁对规范场的贡献、杨振宁对规范场的贡献6、引力规范理论、引力规范理论E=mc2狭义相对论博士论文获诺贝尔奖之作导致Perrin获诺贝尔奖1905提名Einstein的领域w 相对论；量子论；引力论；布朗运动；光量相对论；量子论；引力论；布朗运动；光量子；统计力学；临界乳光；比热；数学物理；子；统计力学；临界乳光；比热；数学物理；光电效应；爱因斯坦德哈斯效应等。光电效应；爱

18、因斯坦德哈斯效应等。w 提名最多的领域是相对论，包括狭义和广义提名最多的领域是相对论，包括狭义和广义相对论。但是，获奖的却是光电效应。相对论。但是，获奖的却是光电效应。 1921 光电效应光电效应w 得奖年得奖年：1921w 得奖人得奖人：A. Einsteinw 得奖项目得奖项目：for his services to theoretical physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effectw 瑞典皇家科学院秘书的信：瑞典皇家科学院秘书的信：“但是没有考但是没有考虑您的相对论和引力

19、理论一旦得到证实所应虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应获得的评价获得的评价”检验爱因斯坦理论或与爱因斯坦理论密切相关的研究工作而获诺贝尔奖的1926 布朗运动布朗运动w 得奖年：1926w 得奖人：J.B. Perrinw 得奖项目：for his work on the discontinuous structure of matter, and especially for his discovery of sedimentation equilibriumw 说明：首次实验证明Einstein的布朗运动理论1927 康普顿效应康普顿效应w 得奖得奖年：年：1927w 得奖人：得奖人：

20、A.H. Comptonw 得奖项目：得奖项目：for his discovery of the effect named after himw 说明：首次证明光子同时具有能量、动说明：首次证明光子同时具有能量、动量、频率、波长量、频率、波长“E=h, p=h/”1951 E=mc2w 得奖年：得奖年：1951w 得奖人：得奖人：Sir J.D. Cockcroft & E.T.S. Waltonw 得奖项目：得奖项目：for their pioneer work on the transmutation of atomic nuclei by artificially acceler

21、ated atomic particlesw 说明：说明：“a verification was provided by this analysis for Einsteins law concerning the equivalence of mass and energy”1964 受激辐射受激辐射w 得奖年：得奖年：1964w 得奖人：得奖人：C.H. Townes, N.G. Basov, A.M. Prochorovw 得奖项目：得奖项目：for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led t

22、o the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principlew 说明：说明：maserlaser based on 受激辐射受激辐射1993 引力波引力波w 得奖年：得奖年：1993w 得奖人得奖人：R.A. Hulse, J.H. Taylor, Jrw 得奖项目：得奖项目：for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of

23、 gravitationw 说明：验证了引力波说明：验证了引力波2001 BoseEinstein凝聚凝聚w 得奖年得奖年：2001w 得奖人：得奖人：E.A. Cornell, W. Ketterle, C.E. Wiemanw 得奖项目：得奖项目：for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates量子信息学与量子纠缠量子信息学与量子纠缠w

24、 EPR effectw Entanglementw 量子信息学量子信息学w 量子计算机量子计算机类星体与引力透镜效应类星体与引力透镜效应w 1979：Walsh，Carswell，Weymann 发现发现了首个类星体（了首个类星体（0957561）的引力透）的引力透镜现象。镜现象。w 随后，一大批引力透镜现象（包括爱因随后，一大批引力透镜现象（包括爱因斯坦环、爱因斯坦弧等）被发现。斯坦环、爱因斯坦弧等）被发现。微波背景辐射各向异性的发现w COBE卫星卫星w WMAP卫星卫星 导致精确宇宙学、和谐宇宙学的建立导致精确宇宙学、和谐宇宙学的建立黑洞物理及其观测黑洞物理及其观测w 黑洞物理以及黑洞

25、天体物理黑洞物理以及黑洞天体物理w 黑洞吸积及辐射黑洞吸积及辐射w 黑洞观测与证认黑洞观测与证认引力波的探测引力波的探测w 间接检验引力波间接检验引力波 已有已有HulseTaylor工作（已获奖）工作（已获奖） 双脉冲星观测双脉冲星观测w 已有许多方案和卫星设计直接观测引力已有许多方案和卫星设计直接观测引力波波 （很可能会导致新奖）（很可能会导致新奖）宇宙学与宇宙常数宇宙学与宇宙常数 w 爱因斯坦宇宙爱因斯坦宇宙w 宇宙常数宇宙常数 万有斥力万有斥力w 宇宙常数宇宙常数 三起三落三起三落w 宇宙年龄宇宙年龄w 减速因子减速因子加速膨胀的发现加速膨胀的发现w 暗能量暗能量w 精确宇宙学、和谐宇宙学精确宇宙学、和谐宇宙学w 大突破的前夕大突破的前夕爱因斯坦的主要成就爱因斯坦的主要成就