爱因斯坦、霍金与相对论发展

1、1爱因斯坦、霍金与相对论的发展 主讲：北京师范大学 赵峥教授 2004年10月北师大04届博士政治课讲座物含妙理总勘寻 颐和园铜亭21943年8月出生于四川成都。1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位（导师刘辽教授），1987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）。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，理论物理博士生导师、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。赵峥教授3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、近代物理学进展、物理学史、广义

2、相对论、黑洞物理学和弯曲时空量子场论等课程。参加和承担过多项国家自然科学基金项目，在相对论、黑洞物理等领域发表论文100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面有创新性的工作。1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。4主要著作有黑洞的热性质与时空奇异性、黑洞与弯曲的时空，科普著作有探求上帝的秘密-从哥白尼到爱因斯坦、物理学与人类文明，其中黑洞的热性质与时空奇异性和探求上帝的秘密分获第11届和第12届中国图书奖。赵峥教授长期为学科教学论专业的研究生、课程班学生、教育硕士讲授“近代物理概论”、“爱因斯坦与霍金的宇宙”等课程。2000年开始担任国家教育部中学科学课程标准

3、研制组组长，2001年开始主持编写初中科学试验教材，该教材已开始在部分地区试用。51642年1月8日，伽利略逝世， 同年圣诞节牛顿诞生爱因斯坦（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周年的那一天霍金诞生了相对论（狭义相对论）：1905年广义相对论：1915年明年是相对论发表100周年，爱因斯坦逝世50周年 谨以本讲座做为纪念活动的前奏！6 爱因斯坦生平：1879年3月14日 诞生于德国乌尔姆 中小学时代 德国慕尼黑1895年 瑞士阿劳中学补习班一年18961900年 苏黎世工业大学19021909年 伯尔尼发明专利局19091914年 进入大学工

4、作 （瑞士、布拉格等地）19141933年 德国物理研究所所长， 柏林大学教授，院士1915年 提出广义相对论19331955年 美国普林斯顿大学高级研究所7 科研情况（发表论文）：1901年发表论文1篇1902年发表论文2篇1903年发表论文1篇1904年发表论文1篇1905年发表论文5篇测定分子的大小（博士论文）布朗运动相对论Emc2光子说8相对论（狭义相对论 Special Relativity） 光是电磁波，是以太的波动理论上的困难麦克斯韦电磁理论作为相对性原理表达式的伽利略变换 光速对不同参考系应不同，不应是同一个C值光速C是一个常数9实验上的困难地球相对于以太运动吗？光行差现象：地

5、球相对以太有运动10迈克尔逊实验：未测到以太漂移（1887年）11洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年）洛伦兹收缩12x=x-vty=yz=zt=tx=y=yz=zt=洛伦兹变换伽利略变换13洛伦兹的观点放弃相对性原理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c）存在洛伦兹收缩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，而且物理解释也不同）141905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下 光行差现象 斐索实验 （迈克尔逊实验）从 相对论原理 光速不变原理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变换考虑15相对论提出动尺收缩，动钟变慢，双生子佯谬，

6、162、广义相对论（General Relativity）1）狭义相对论的两个困难2）广义相对论的物理基础3）广义相对论的数学基础4）广义相对论的核心5）实验验证171）狭义相对论的两个困难惯性系无法定义万有引力定律纳不进相对论框架182）广义相对论的物理基础广义相对性原理等效原理马赫原理19欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切夫斯基）、黎氏几何3）广义相对论的数学基础:黎曼几何与张量分析204）广义相对论的核心场方程 运动方程万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现行星绕日运动 时空曲率 物质 物质使时空弯曲 测地线方程 （伽利略的有趣“错误”）地球上的自由落体运动都是惯性运动215）实验验

7、证引力红移、光线偏折、行星轨道近日点的进动223、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23宇宙项： 宇宙项 （1917年提出，1923年放弃）24亮星 0.5 重子 4 中微子 0.3 冷暗物质 29 起源于 动力学暗能量 GR在宇观尺度失效物质暗物质与暗能量暗物质 暗能量65254、黑洞1）从牛顿理论预言（200年前，拿破仑时代）米歇尔（1783） 拉普拉斯（1796

8、）最亮的星有可能是看不见的 ( 暗星)26天体力学第一版（1796年）、第二版（1799年）、第三版（1808年） 第三版中去掉“暗星”的预言原因：1801年托马斯杨完成干涉实验，光的波动说（惠更斯）战胜微粒说（牛顿）神童、奇才托马斯杨（Thoms Young）英国人272）从广义相对论预言1916年 史瓦西解，史瓦西时空中的奇点与奇面1939年奥本海默从GR预言黑洞，r=(静态，球对称)（遭到爱因斯坦, 爱丁顿，惠勒等人反对）当时已经发现白矮星（天狼B星）并已预言了中子星（1932年朗道）283）白矮星与中子星A、天狼星（大犬座）天空中最亮的恒星，距我们9光年青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。

9、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。 苏东坡江城子 密州出猎 291834年发现天狼星位置有周期性变化天狼B星是白矮星，密度175kgcm3，表面温度1万度1862年发现天狼伴星（B 星）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；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30B、中子星与奥本海默极限中子的发现： 约里奥居里夫妇（1931年） 查德维克（1932年） 1935年

10、的诺贝尔物理奖与化学奖中子的预言： 1932年郎道 中子星的质量上限 23M： 1939年奥本海默中子星(脉冲星)的发现 1967年 休伊士与贝尔 巡天观测， “小绿人”31C、主序星、白矮星、中子星与黑洞的比较324）黑洞研究的高速发展（1963-1974）1961 年 Kerr解 转动、轴对称时空1964年 奇性定理1967年 中子星的发现、无毛定理1971年 面积定理1972年1974年 黑洞热力学1974年 霍金辐射80年代后 无重大进展33A、黑洞热力学的建立（主要几步）无毛定理，M，Q，J （1967年，伊斯雷尔等）面积定理 （1971年 ，霍金）黑洞面积就是熵 （1972年， 贝

11、根斯坦）A 0 ,即S 0Bekenstein 公式：转动带电刚体：普通热力学 霍金等人反对，但给出黑洞力学四定律 （1973年）Unruh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，Ta 霍金辐射：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射，TK34B、关于奇点定理黑洞与白洞的奇点、奇环，大爆炸宇宙的奇点卡拉特尼可夫与栗弗席兹的错误彭若斯的工作，奇点看作时间的开始与结束。（1964年）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。此定理极为重要，但可能未做到头，且首功属于Penrose.355、爱因斯坦、霍金在历史上的地位1）、爱因斯坦的成就SR、GR，统一场论？光子说、与哥本哈根学派的论战、爱因斯坦玻尔统计、激光（受激辐射）2）霍金的成就：面积定理 A 0霍金辐射（最重大成就）奇性定理（首功属于彭若斯）显示出相对论与热力学之间可能有本质的联系！建立黑洞热力学363）谁是最伟大的科学家20世纪初：谁是第二伟大的科学家？ 爱因斯坦？玻尔？20世纪中：爱因斯坦与牛顿并列， 玻尔是本世纪最伟大的科学