第1讲 爱因斯坦

第一讲爱因斯坦

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量子论与相对论的诞生一、物理学的开端二、爱因斯坦的丰收年三、相对论的建立四、狭义相对论物理学（Physics）这个词起源于亚历士多德公元前300多年，古希腊苏格拉底柏拉图亚历士多德一、物理学的开端阿基米德

（亚历山大科学院，前287-前212年）浮力定律杠杆原理“给我支点，我可以撬动地球！”重心的概念阿基米德“物理学”真正开始于伽利略他使物理学成为一门“实验的科学”、“测量的科学”“伽利略的发现及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一。它标志着物理学的真正开端”——爱因斯坦在经验（实验）基础上进行假设及逻辑推论从而得出正确结论的思想方法。1642年（对物理学重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣诞节之夜牛顿出生（儒略历1642.12.25格利高里历1643.1.4）伽利略惯性定律相对性原理自由落体定律惯性定律虚空中运动的原子，由于没有阻力，将一直等速运动下去（公元前400年左右，德谟克利特等古希腊哲学家）伽利略的斜面实验相对性原理地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。 汉《尚书纬•考灵曜》伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）《两门新科学》（1638年）自由落体定律比萨斜塔上的自由落体实验伽利略的斜面实验斜面运动是“减缓了的”或“冲淡了的”自由落体运动。牛顿集经典力学之大成《自然哲学的数学原理》（45岁）《光学》（65岁）牛顿的物理体系绝对时间绝对空间惯性系相对性原理力学三定律万有引力定律自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中上帝说，让牛顿去吧，于是一切成为光明。——波普墓志铭（模仿《创世纪》）“NatureandNature’slawlayhidinnight,GodsaidletNewtonbeandallwaslight”光学牛顿的微粒说战胜惠更斯的波动说1801年，托马斯·杨的干涉实验波动说战胜微粒说波动光学光既是波动就应有载体亚历士多德月上世界月下世界波动光学光是以太的弹性振动电磁学光波是电磁波麦克斯韦从介质的弹性振动导出了电磁学的基本方程组热学热力学第一定律（能量守恒）。迈尔，焦耳，亥姆霍兹热力学第二定律（卡诺定理）。卡诺，克劳修斯卡诺从热质说“导出”了卡诺定理热力学第三定律。能斯特热力学第零定律二、爱因斯坦的丰收年

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。黑体辐射迈克尔逊实验量子论（1900年）相对论（1905年）量子论的诞生量子论光子论爱因斯坦解释光电效应1905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1902-1909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 （“奥林匹亚科学院”）爱因斯坦的丰收年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）

5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）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”希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了三、相对论的建立

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。迈克耳孙实验（1881，1887）：没有测出这一运动。1.光行差现象2.迈克尔逊实验c+vc-v迈克尔逊没有观测到以太漂移

矛盾第二朵乌云：实验光行差现象洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）3.伽利略变换（任意两个惯性系间的相对变换）伽利略变换下的速度迭加（平行四边形法则）麦克斯韦理论在伽利略变换下会变化从伽利略变换推不出洛仑兹收缩伽利略变换矛盾电磁理论

洛仑兹收缩4.洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换（洛伦兹的解释）用洛伦兹变换①可推出洛伦兹收缩②麦克斯韦电磁理论不变代价是放弃了“相对性原理”5.爱因斯坦的探索爱因斯坦赞同马赫对牛顿绝对时空观的批评（《力学史评》）“相对性原理”是一条根本性原理，应当坚持从“斐佐实验”与“光行差现象”的矛盾，爱因斯坦认识到应该放弃以太理论从双星轨道不发生形变知道光速与光源运动无关认识到光速的绝对性，推出“光速不变原理”双星轨道不变形麦克斯韦理论中电磁波速（光速）是常数c 支持光速不变原理（光速的绝对性）6.爱因斯坦的新理论相对性原理光速不变原理洛伦兹变换（爱因斯坦的解释）爱因斯坦：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相对变换

是相对速度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：相对论相对论认为“同时”是相对的（早已认识到“同地”是相对的）动钟变慢：时间是相对的动尺收缩：

空间是相对的质能关系：四.狭义相对论两个作相对运动的惯性系洛伦兹变换（1）逆变换（2）1.同时的相对性2.动钟变慢对S系，A是动钟，A静置于S’系中，从（4）式得对S’系，B是动钟，B静置于S系中，从（3）式得，

（6）3.动尺收缩在惯性系中静止的，长度的尺，在系中同时测量其两端（即系中的时间与分别为测量尺的前后两端的时刻，由于同时测尺的两端，所以），从（1）式推出的

得到长度（7）4.速度迭加

（8）

注意：从上式可知，通过速度迭加不可能超光速5.静质量与动质量（9）6.质能关系（10）（11）质量与能量是同一事物的两个侧面，不是质量与能量相互转化7.经典力学的动能（12）经典物理中的动能（13）8.世界线四维时空中的世界线（14）9.固有时（14）式中当时，称（15）为固有时，当不为0时

（16）其中“固有时”就是质点（观测者）世界线的长度，也就是质点（观测者）自身经历的时间10.双生子佯谬双生子佯谬

（17）（18）

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

空间动量究竟是谁创建了相对论？1892洛伦兹－斐兹杰惹收缩（1892）（1889，1893）1902庞卡莱（彭加勒）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1904洛伦兹部分接受庞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庞卡莱·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