爱因斯坦与国际物理年

爱因斯坦与国际物理年第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日一、2005—世界物理年（一）全球缅怀爱因斯坦

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1905年，年仅26岁的爱因斯坦发表了有关量子理论、狭义相对论和布朗运动等方面的5篇论文，从根本上改变了人类看世界的方式。为纪念物理学上的这一“奇迹年”，联合国教科文组织将2005年定为“世界物理年”。

第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日该倡议首先由欧洲物理学会（EPS）在2000年“第三届世界物理学会年会”上提出；2002年，得到国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）第24次全体大会的一致通过；在2003年召开的联合国教科文组织（UNESCO）全体会议第32次会议上，表决通过了支持2005年为世界物理年的决议；2004年6月10日，联合国大会召开第58次会议，会议鼓掌通过了2005年为“国际物理年”的决议。第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日今年是“爱因斯坦”年。我们纪念他，不仅是因为100年前他提出了著名的狭义相对论，更是他那可贵的创新精神。

红色代表过去,蓝色代表未来,黄色和绿色表示连结过去到未来,要从过去的基础中建设未来,绿色代表进步、进展黄色代表和平及团队合作,科技的进步和国际的合作可以帮助建设光明的未来第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日2005世界物理年的标识象征的是光锥；然而大部分的人可能从来没听过光锥这个名词，反而看成是沙漏，象征着爱因斯坦在时间相对性上渊博的见解及洞察力。至于标识的配色，或许只是装饰性的，但却有另一种不同的见解认为，在光锥的解释上，未来是蓝色的因为我们正朝着未来不断的奔驰前进，所以也由此呈现蓝色循环。至于红色循环代表的是我们所逐渐远离的过去；黄色及绿色的斜向线条则表示将过去连结至未来。绿色在这里代表的意思是前进、进步；黄色则表示和平、合作及团队等意思。也就是说我们要藉由这些特质从过去的基础上去建设未来；藉由科技的进步及国际间的合作创造出明亮的未来。第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（二）主题：

近年来，公众的物理意识在削弱，国际物理社会认为必须采取行动，在“2005—世界物理年”通过展示物理在经济、技术、文化等方面的重要作用，在全球范围内争取公众对物理学的理解与支持，坚定公众对物理学的信念，推动物理教育，培养物理人才，使物理学在21世纪得到全新的发展。

第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日把2005年作为国际物理年有三个意义，纪念爱因斯坦，为物理学吸引人才，以及唤起社会对物理学的关注。第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日全球性的纪念活动包括：“物理照耀世界”光束传递活动；“寻找物理天才”；“物理史图片巡回展”等。中国物理学会也在积极筹备纪念活动，如：制作宣传海报；推荐优秀图书；组织“世界物理年”专题论坛；组织“物理与交叉科学专题研讨会”；组织知识竞赛及夏令营；发行邮资封等。第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日今年美国当地时间4月18日，光信号将从爱因斯坦工作过的美国普林斯顿发出，通过大洋光缆在24小时内周游地球。这个活动被命名为“物理照耀世界”。按目前计划，由美国传来的光信号首先在上海登陆，然后中国每个省、市、自治区都会依次行动起来。在北京时间4月19日晚7时，每个地区都会组织青年学生，让他们每隔几十米站一人，组成绵延数公里的人链，然后光信号从人链的一端开始，通过学生的手电筒、激光教鞭或其它发光物，一个人接一个人传下去。当一个地区完成光的接力后，最后一人就会通过电子邮件、电话、手机等，向下一地区发去信息和图片，通知他们继续接力。最终，传入我国的光信号将分别向俄罗斯和印度方向传去。第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日二、认识爱因斯坦：（一）生平：1879年，阿伯特·爱因斯坦出生在德国西南部古城乌耳姆的一个犹太人家庭。1880年，他随全家搬到慕尼黑，就在那里渡过了他的童年生活。1889年，爱因斯坦进入慕尼黑教会中学读书。第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1894年，由于中学的成绩除数学优秀之外，其它学科均属低下，遭到了退学处分

1895年去苏黎世投考瑞士联邦工业大学，但未被取录，只得转学到一间中学。

1896年他考进联邦工业大学师范系学习物理学。1900年毕业，由于学业成绩并不突出，他找不到一个教职。1902年，爱因斯坦终于在伯尔尼找到了联邦专利局审查员的职务。此时他利用工余时间继续自修理论物理。

第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1905年，二十六岁的爱因斯坦共发表了四篇在物理学各领域中最富有创造性的伟大论文。《分子体积的新测定方法》(有关布朗运动)一文使他获得苏黎世大学的哲学博士学位，而《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(有关光电效应)一文更使他于1921年获得诺贝尔物理学奖。

其余的两篇创立了狭义相对论，后人认为这是他对物理学最重要的贡献。

1913年，普朗克和能斯特代表普鲁士科学院邀请爱因斯坦回德国工作。

第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1914年，他担任威廉大帝物理研究所所长兼柏林大学教授。这个教职给予了爱因斯坦经济上的支持，使他能够全时间从事研究工作。

1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论基础》，这是关于广义相对论的第一篇完整的论文，也是对这项工作的总结。

1933年因受纳粹德国的迫害，爱因斯坦迁居美国，任普林斯顿高等学术研究院教授。

1940年取得美国国籍。1955年病逝普林斯顿。

第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（二）相对论简介：1.经典时空观（1）重要概念：①参照系：描述物体的运动状态时，被用来当作参照物的物体。②运动的相对性：同一物体的运动，选用不同的参照系去描述时是不同的，这就是运动的相对性。③惯性参照系：牛顿运动定律能够成立的参照系。实验证明，相对于惯性参照系做匀速直线运动的参照系也是惯性参照系。第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（2）伽利略力学相对性原理：在任何一个惯性参照系中，都不可能通过任何的力学实验，来确定这个参照系是处于静止或匀速直线运动状态。或者说，力学定律在所有的惯性参照系中都是等价的，具体相同的形式。（3）绝对时间：存在于物质之外均匀流逝，与空间没有任何的关系；而具体的时间计量，如分，秒等只是相对的时间。第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（4）绝对空间：也与物质无关，是均匀、恒定不动，且能容纳物体及其运动的大容器；具体的空间计量则是相对空间。（5）经典的时空观=绝对时间+绝对空间+伽利略力学相对性原理。2.电磁现象及相对性：“伽利略航船”→“以太”→迈克尔逊---莫雷实验→光速不变原理：在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日。第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日3.狭义相对论及其时空观：（1）狭义相对论的基本假设是：①质量和速度的关系：②光速不变原理：真空中光的传播速度在各个方向都是相同的，与光源的运动无关。（2）极限速度与超光速现象：

①光速的极限性

②超光速现象：如探照灯现象等。第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日③质能关系：

质量和能量是可以相互转化的。或者说，物质和运动存在着不可分割的联系。4.广义相对论及其时空观

（1）狭义相对论与万有引力定律的矛盾

万有引力定律：万有引力是一种“超距”作用-----产生和到达是同时的；

狭义相对论：光速是传播速度的极限。第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（2）

厄缶的实验：证明惯性质量和引力质量是相等的。其中，惯性质量是指出现在牛顿第二定律中，表示“惯性的大小”，记作mI

引力质量则是牛顿引力定律

中的质量，记作mG

行星作圆周运动时，有第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日

（3）

爱因斯坦的启发

结论1：光线在引力场中受到引力场的影响而“走弯路”；

第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日结论2：光波在引力场中传播时会改变它的频率，使光谱线的位置产生移动----引力红移。爱因斯坦设想，万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现。第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（4）

广义相对论的基本思想：

物质在其周围激发引力场，这个引力场则反过来作用于其中的物质，而引力场就是时间的弯曲。空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的情况下，就有区别。

第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日（三）相对论带来的重大发现

（1）时间旅行

（2）原子裂变

（3）宇宙大爆炸和宇宙常数——暗能量

（4）黑洞大发现

第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日时间旅行狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢，假定将来的某个时候，我们已解决了所有的技术难题，能够制造一艘以接近于光速飞行的宇宙飞船，一定意义上的时间旅行就变成可能了。

第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日时间机器模型：虫洞

虫洞是连接宇宙遥远区域间的时空细管，它可以把未来的宇宙和现在的宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性广义相对论表明，时空可以不是平坦的，而是弯曲的。我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞，然后用某种“奇异物质”把洞口撑开，使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道，让我们在瞬间到达遥远的另外一个时空。第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日

关于虫洞能不能够建成，还有许多细节的问题，这只是一个理想的模型。还有即使形成了一个虫洞，它是否稳定？很小的扰动（包括你尝试穿过它的扰动）会不会导致它坍塌？这些都是科学家们在热烈讨论的问题！

第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日原子裂变爱因斯坦著名的质能关系式：E=mc2表明能量等于质量乘以光速的平方，即能量是质量的900万倍。

那么指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失，其释放的能量是用以几万吨煤炭来计算的。第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日

遗憾的是，没人能随便减少质量，譬如一块石头，我们尽可以用锤子砸成小块，然后碾成碎末，可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日

在1939年，约里奥·居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应，使人类找到了释放巨大原子能的方法。铀235的核受到中子轰击就会发生裂变，分裂成两个中等质量的新原子核，放出1～3个中子，并释放出巨大能量，这些中子又能引发其它铀核再分裂，如此反复，形成连锁反应，不断释放巨大能量。这就是链式反应。后来人们据此制造出了原子弹。

第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1945年人类第一颗原子弹在美国爆炸成功，紧接着日本人遭受了人类历史上最残酷的惩罚，几十万人死伤，其中一部分人瞬间还被还原成基本粒子，真成了魂飞魄散。E=mc2在给人间带来希望之前，带来的先是致命的创伤，这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是一记重拳，直至临死前他仍为此痛心不已。第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日宇宙大爆炸和暗能量物理学最大的研究对象是宇宙。宇宙是时空和一切物质的总和，我们所研究的是我们可以观察到的宇宙。我们生活在银河系。第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1917年，爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型，但他发现，在这样一个只有引力作用的模型中，宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数，它表示的是一种斥力，同引力相反，它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日但是，1929年，哈勃发现所有星系都在远离我们而去，这表明宇宙正在不断膨胀。。

1945年，人类史上第一颗原子弹爆炸成功，看着蘑菇云升起的照片，伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大，不就成了宇宙爆炸吗？他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来，逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系。

1948年，伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文，系统地提出了宇宙起源和演化的理论——大爆炸理论。

第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散开来，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日根据大爆炸宇宙论，极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，不过温度已降到6K左右。

1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊，因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射，经过测量和计算，得出这个残余辐射的温度是2.7K(比伽莫夫预言的温度要低)，一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日暗能量1998年，天文学家们发现，宇宙不只是在膨胀，而且在以前所未有的加速度向外扩张，所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来，这是一种具有排斥力的能量，科学家们把它称为“暗能量”。

第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日近年