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，诺贝尔奖金获得者）。曾

2、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、黑洞物理学和弯曲时空量子场论等课程。量

3、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密探求上帝的秘密- -从哥白尼到爱因斯从哥白尼到

4、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，20012001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，

5、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

6、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）：

7、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1.1.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

8、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ees光光镜筒指向下雨镜筒运动vv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）M2M1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逊实验提出（1892年）年）洛伦兹收缩洛伦兹收缩2201cvLLx=x-vty=yz=zt=t221cvvtx2221cvxcvtx=y=yz=zt=洛伦兹变换洛

9、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

10、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，2mCE 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

11、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

12、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运动TRgR210222dsdxdsdxdsxdn5 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：VHD1948年 、的大爆

13、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）TRgR21 48CGgTgRgR21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65rGMm212mcr22cGM4 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

14、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

15、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, 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） 22cGM3 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，

16、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。 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

17、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

18、阳太阳7070万万1 1克克白矮白矮星星1 1万万1 1吨吨18621862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

19、无重大进展无重大进展A 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 0Bekenstein 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

20、之中，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，TKVdQdJdAKdM8VdQdJTdSdUPdVTdSdUB、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、霍金在历史上的地