相对论发展史讲义课件

相对论的建立相对论的建立1一.两朵乌云

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。一.两朵乌云1900，开尔文勋爵：2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19001905第一朵乌云：黑体辐射量子论19001903量子论的诞生量子论的诞生4量子说光子说爱因斯坦解释光电效应1905量子说光子说19055爱因斯坦生平（Ⅰ）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，四面碰壁爱因斯坦生平（Ⅰ）6

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”爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除71902-1909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1902-1909伯尔尼发明专利局工作8希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了

空闲、宽容希尔伯特：9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）

爱因斯坦的丰收年（26岁）105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）5月解释布朗运动（7月发表）11爱因斯坦生平（Ⅱ）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日逝世爱因斯坦生平（Ⅱ）12二.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。二.狭义相对论光波是“以太”的弹性振动。13洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：洛伦兹的解释：14x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换x’=x-vt伽利略变换15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16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：爱因斯坦的新理论洛伦兹变换不存在绝对空间，一切运动都是相对的17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：

相对论洛伦兹反对爱因斯坦的观点，18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：相对论认为19相对论发展史讲义课件20

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

空间动量爱因斯坦的创新之处：21究竟是谁创造了相对论？究竟是谁创造了相对论？22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，认为“相对性原理”适用于电磁理论历史：231904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

1904洛伦兹部分接受彭卡莱批评241904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；1904彭卡莱251905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）新理论是一个时空理论1905爱因斯坦发表相对论26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。杨振宁教授27三.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三.弯曲的时空——广义相对论（1）惯性系无法定义28相对论发展史讲义课件29引力场=惯性场(局域)

等效原理广义相对性原理广义相对论引力场=惯性场(局域)广义相对论30

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万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现31相对论发展史讲义课件32

时间能量

空间动量

时空曲率物质时空曲率物质33广义相对论的三个实验验证（1）引力红移（2）水星进动（3）光线偏折广义相对论的三个实验验证34水星轨道近日点的进动5600.730.41"/百年，（观测）5557.620.20"/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（勒维叶与亚当斯发现海王星）水星轨道近日点的进动5600.730.41"/百35相对论发展史讲义课件36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）=1.980.12"今天：=1.89"光线偏折广义相对论：=1.75"37相对论发展史讲义课件38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。）引力波39相对论发展史讲义课件40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！爱因斯坦说：41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42四、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四、相对论的进展现代宇宙学43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）现代宇宙学（宇宙项）44相对论发展史讲义课件45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λ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%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46黑洞r(视界）r=0奇点

tr洞外时间空间洞内空间时间黑洞r(视界）47相对论发展史讲义课件48相对论发展史讲义课件49信息疑难2004年7月21日,霍金“我输了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(JohnPreskill)信息疑难霍金索恩普瑞斯基50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

奇性疑难彭若斯与霍金的奇性定理:51宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器52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、引力规范理论规范场：53五、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五、爱因斯坦的主要成就1905狭义相对论（受马赫思想启发54爱因斯坦是人而不是神他曾经：不同意膨胀宇宙模型；不同意白矮星存在质量上限；不同意有黑洞存在；不同意H.Weyl的规范场论；始终不同意量子力学的统计解释……这些不同意见有对有错，他从正反两方面推动了物理学的发展。爱因斯坦是人而不是神55爱因斯坦作出划时代的成就是在25岁－45岁之间26岁：狭义相对论，光量子论36岁：广义相对论爱因斯坦作出划时代的成就是在25岁－45岁之间56相对论的建立相对论的建立57一.两朵乌云

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。一.两朵乌云1900，开尔文勋爵：58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19001905第一朵乌云：黑体辐射量子论190019059量子论的诞生量子论的诞生60量子说光子说爱因斯坦解释光电效应1905量子说光子说190561爱因斯坦生平（Ⅰ）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，四面碰壁爱因斯坦生平（Ⅰ）62

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”爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除631902-1909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1902-1909伯尔尼发明专利局工作64希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了

空闲、宽容希尔伯特：65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）

爱因斯坦的丰收年（26岁）665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）5月解释布朗运动（7月发表）67爱因斯坦生平（Ⅱ）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日逝世爱因斯坦生平（Ⅱ）68二.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。二.狭义相对论光波是“以太”的弹性振动。69洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：洛伦兹的解释：70x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换x’=x-vt伽利略变换71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72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：爱因斯坦的新理论洛伦兹变换不存在绝对空间，一切运动都是相对的73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：

相对论洛伦兹反对爱因斯坦的观点，74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：相对论认为75相对论发展史讲义课件76

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

空间动量爱因斯坦的创新之处：77究竟是谁创造了相对论？究竟是谁创造了相对论？78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，认为“相对性原理”适用于电磁理论历史：791904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

1904洛伦兹部分接受彭卡莱批评801904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；1904彭卡莱811905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）新理论是一个时空理论1905爱因斯坦发表相对论82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。杨振宁教授83三.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三.弯曲的时空——广义相对论（1）惯性系无法定义84相对论发展史讲义课件85引力场=惯性场(局域)

等效原理广义相对性原理广义相对论引力场=惯性场(局域)广义相对论86

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万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现87相对论发展史讲义课件88

时间能量

空间动量

时空曲率物质时空曲率物质89广义相对论的三个实验验证（1）引力红移（2）水星进动（3）光线偏折广义相对论的三个实验验证90水星轨道近日点的进动5600.730.41"/百年，（观测）5557.620.20"/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（勒维叶与亚当斯发现海王星）水星轨道近日点的进动5600.730.41"/百91相对论发展史讲义课件92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）=1.980.12"今天：=1.89"光线偏折广义相对论：=1.75"93相对论发展史讲义课件94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。）引力波95相对论发展史讲义课件96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！爱因斯坦说：97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98四、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四、相对论的进展现代宇宙学99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