高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生素材 新人教选修34

1、2021/8/11 星期三11 相对论的诞生2021/8/11 星期三2一. 两朵乌云 1900，开尔文勋爵： 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，另一朵与迈克尔逊实验有关。2021/8/11 星期三3第一朵乌云：黑体辐射 量子论第二朵乌云：迈克尔逊实验 相对论190019052021/8/11 星期三4量子论的诞生2021/8/11 星期三5量子说 光子说爱因斯坦解释光电效应19052021/8/11 星期三6爱因斯坦生平（）1879.3.14 诞生于德国乌尔姆中，小学时代 德国慕尼黑1895-1896 瑞士阿

2、劳中学一年1896-1900 苏黎士工业大学学习1900-1902 艰辛求职，四面碰壁2021/8/11 星期三7 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，对学校教育没有好印象。 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，成为了孕育相对论的土壤”2021/8/11 星期三81902-1909 伯尔尼发明专利局工作初期科研情况： 1901-1篇论文 1902-2篇论文 1903-1篇论文 1904-1篇论文2021/8/11 星期三9希尔伯特： 没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作

3、单位了 空闲、宽容2021/8/11 星期三10爱因斯坦的丰收年（26岁）1905-5篇 3月 解释光电效应光子说（6月 发表） 4月 博士论文：测定分子大小的新 方法（4月提交） 2021/8/11 星期三115月 解释布朗运动（7月发表）6月 “论运动物体的电动力学”狭 义相对论（9月发表）9月 （11月发表）2021/8/11 星期三12爱因斯坦生平（）1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布 拉格等地）1914-1933 柏林大学教授，德国物理研 究所所长、院士1915 提出广义相对论（36岁）1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究 所研究员1955年4月18日 逝世2021

4、/8/11 星期三13二.狭义相对论 光波是“以太”的弹性振动。 以太相对于地球运动吗？ 光行差现象（1728，1810）：以太相 对于地球有运动。 迈克尔逊实验（1881，1887）：没有 测出这一运动。2021/8/11 星期三14洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：2021/8/11 星期三15x=x-vty=yz=zt=t伽利略变换2021/8/11 星期三16洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换2021/8/11 星期三17爱因斯坦的新理论相对性原理 光速不变原理洛伦兹变换不存在绝对空间，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V是相对速度爱因斯坦：2021/

5、8/11 星期三18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： 相对论2021/8/11 星期三19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：2021/8/11 星期三202021/8/11 星期三21 爱因斯坦的创新之处：（1）坚持相对性原理（2）认识到光速是绝对的（3）时间 能量 空间 动量2021/8/11 星期三22究竟是谁创造了相对论？2021/8/11 星期三23历史：1892 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 （但仍承认有以太） 批评相对于绝对空间的动尺收缩假设

6、， 认为“相对性原理”适用于电磁理论2021/8/11 星期三241904 洛伦兹部分接受彭卡莱批评 提出地方时间 （非真实时间） 给出洛伦兹变换 （1887 佛格特，1898 拉摩） 电子质量公式 2021/8/11 星期三251904 彭卡莱 正确表述“相对性原理” 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。 推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；2021/8/11 星期三261905 爱因斯坦发表相对论 （论运动物体的电动力学）只有他认识到（1）必须彻底抛弃绝对空间（以太） 必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）（2）“同时”是相对的，可以用光来对钟，定义“同时”（3）新

7、理论是一个时空理论2021/8/11 星期三27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，不从哲学角度考虑彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只从哲学和教学的角度来考查问题, 不从实验和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既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。2021/8/11 星期三28三.弯曲的时空广义相对论（1）惯性系无法定义（2）万有引力定律纳不进相对论体系2021/8/11 星期三292021/8/11 星期三30引力

8、场=惯性场 (局域) 等效原理 广义相对性原理广义相对论2021/8/11 星期三31 万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现行星绕日运动是惯性运动（伽利略的错误）地球上的自由落体是惯性运动2021/8/11 星期三322021/8/11 星期三33 时间 能量 空间 动量 时空曲率物质2021/8/11 星期三34广义相对论的三个实验验证（1） 引力红移（2） 水星进动（3） 光线偏折2021/8/11 星期三35水星轨道近日点的进动5600.73 0.41/百年，（观测）5557.62 0.20/百年，（计算）43.11/百年的进动无法解释广义相对论的回答：43/百年勒维叶的猜测，火神星

9、（勒维叶与亚当斯发现海王星）2021/8/11 星期三362021/8/11 星期三37光线偏折广义相对论： =1.75牛顿理论： =0.875实验观测：（1915年：爱丁顿 西非普林西比; 巴西，阴雨） =1.98 0.12今天： =1.892021/8/11 星期三382021/8/11 星期三39引力波 广义相对论预言：有引力波，以光速传 播 J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉动双星（PSR1913+16）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。（由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺贝尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）2021/8/11 星期三402021

10、/8/11 星期三41爱因斯坦说： 狭义相对论如果我不发现，五年之内就会有人发现。广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现！2021/8/11 星期三42爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程：爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程：数学家对爱因斯坦的帮助2021/8/11 星期三43四、相对论的进展 现代宇宙学 黑洞 奇性定理 时空隧道与时间机器 规范场2021/8/11 星期三44现代宇宙学爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型加入宇宙项 （宇宙项）2021/8/11 星期三452021/8/11 星期三46暗物质与暗能量物质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

11、广义相对论在宇观尺度失效0.5%4%0.3%29%65%2021/8/11 星期三47黑洞r(视界）r=0奇点 t r洞外 时间 空间洞内 空间 时间2021/8/11 星期三482021/8/11 星期三492021/8/11 星期三50信息疑难2020年7月21日,霍金 “我输了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(John Preskill )2021/8/11 星期三51奇性疑难彭若斯与霍金的奇性定理: 时间一定有开始和结束 2021/8/11 星期三52宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器2021/8/11 星期三53规范场：1、爱因斯坦统一场论的思想2、魏尔（H.Weyl）的尺度变换理论 规范场3、爱因斯坦的反对意见4、福克与伦敦对魏尔理论的修正5、杨振宁对规范场的贡献6、引力规范理论2021/8/11 星期三54五、爱因斯坦的主要成就1905 狭义相对论（受马赫思想启发） 光子说1915 广义相对论（受马赫思想启发，得 到格罗思曼与希尔伯特的帮助） 其他成就：分子运动论，量子统计，激光 原理，统一场论，与哥本哈根 学派的论战2021/8/11