第五讲相对论

第五讲相对论第一节19、20世纪之交的物理学第二节爱因斯坦及其狭义相对论第三节从万有引力到广义相对论19二月20241教学要求1、了解相对论的基本概念和基本结论(重点)2、理解爱因斯坦的科学思想和人文精神19二月20242第五讲相对论第一节19、20世纪之交的物理学第二节爱因斯坦及其狭义相对论第三节从万有引力到广义相对论19二月20243第一节19、20世纪之交的物理学19世纪末，物理学成就概括为：

1、物质由80多种元素的原子组成，原子是不可再分的最小微粒。

2、无论地球、天体，物质大小，他们的运动都遵从牛顿力学定律.3、热是大量分子混乱机械运动的宏观表现，利用动力学规律和统计规律可解释固、液、汽等物质体系的规律（热学）。

4、麦克斯韦方程组(电磁)。

5、牛顿的无限宇宙图景19二月20244第五讲相对论第一节19、20世纪之交的物理学第二节爱因斯坦及其狭义相对论第三节从万有引力到广义相对论19二月20245第二节爱因斯坦及其相对论一、两朵乌云（迈克尔孙、莫雷实验－以太之谜；黑体辐射实验－紫外灾难）

1、第一朵乌云－“以太之谜”宇宙全景图以太宇宙物质运动参考系？19二月20246第二节爱因斯坦及其相对论一、两朵乌云

1、第一朵乌云－“以太之谜”光传递两种观点：超距作用？媒递作用？以太身肩三职：引力、电磁力、光传播以太，你在那里？迈克尔逊--莫雷实验：不同惯性参考系对光测量的影响来判定以太的存在。迈克尔孙19二月202472、第二朵乌云：“紫外灾难”（黑体辐射）瑞利－金斯线维恩线普朗克线ρλε=hv

紫红T1T2λ1λ2波尔兹曼提出“能均分定理”视频：黑体、黑体辐射与温度关系19二月20248二、狭义相对论的创立1、爱因斯坦对哲学感性趣；2、休谟、马赫、彭家勒的怀疑与批判主义；3、斯宾若莎物质统一性；4、加利略密闭船舱实验（力学相对性原理）；5、以太“零结果”----相对性原理；光速不变原理。19二月20249伽利略相对性原理:

力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系，这就是伽利略相对性原理。该原理最早由伽利略提出，是经典力学的基本原理。狭义相对性原理物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式，这就是狭义相对性原理。爱因斯坦把伽利略相对性原理从力学领域推广到包括电磁学在内整个物理领域，指出任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系。该原理是狭义相对论的基本原理。广义相对性原理物理定律在一切参考系中都具有相同的形式，这就是广义相对性原理。狭义相对性原理虽然把伽利略相对性原理推广到了整个物理领域，但并不能包括非惯性参考系。爱因斯坦利用等效原理，把相对性原理推广到一切参考系。19二月202410迈克尔逊--莫雷实验19二月202411迈克尔逊--莫雷实验vT1=l/(c-v)+l/(c+v)=2l/c(1-v2/c2)T2=2l/c19二月202412迈克尔逊--莫雷实验：零结果！两难选择：地球不动与哥白尼日心说相悖！接受零结果不同惯性系测量光速相同,与牛顿、伽利略速度合成相悖！洛伦兹说：我若早死10年，就不会如此痛苦！石破天惊，爱因斯坦说：“以太”是多余的！19二月202413爱因斯坦第二假设－－光速不变为了说明爱因斯坦第二假设的合理性，让我们来看一下下面这副火车上的图画。火车以每秒100，000，000米/秒的速度运行，Dave站在车上，Nolan站在铁路旁的地面上。Dave用手中的电筒“发射”光子。光子相对于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度运行，Dave以100,000,000米/秒的速度相对于Nolan运动。因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒。问题出现了：这与爱因斯坦的第二假设不符！爱因斯坦说光相对于Nolan参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那么我们的“常识感觉”和爱因斯坦的假设那一个错了呢？19二月202414许多科学家的试验（结果）支持了爱因斯坦的假设，因此我们也假定爱因斯坦是对的，并帮大家找出常识相对论的错误之处。将速度相加的决定来得十分简单。一秒钟后，光子已移动到Dave前3×108米处，而Dave已经移动到Nolan前1×108米处。其间的距离不是4×108米只有两种可能：

1、相对于Dave的3×108米距离对于Nolan来说并非也是3×108米

2、对Dave而言的一秒钟和对Nolan而言的一秒钟不同19二月202415三、狭义相对论的结论1、运动中的时钟要变慢2、运动中的尺子要缩短3、光速是物体运动的极限速度4、同时的相对性19二月202416“小矮人”推论19二月202417三、狭义相对论的结论1、运动中的时钟要变慢2、运动中的尺子要缩短3、光速是物体运动的极限速度4、同时的相对性19二月202418同时的相对性(flash)AB同时不同时狭义相对论时空关系

19二月202419狭义相对论时空关系ss′v若：u′＝c,则u=c光速不变相对论的质速关系19二月202420例如U’=0.8c,v=0.8c,19二月202421相对论的质速关系对于接近光速的物体其运动规律符合相对论力学，不符合牛顿力学光速为物体运动的极限速度相对论的质能关系19二月202422相对论的质能关系E=mc2物体的惯性质量与能量的关系E静=m0c2物体的静能（原子能），相对论使人们进入原子能时代。19二月202423第五讲相对论第一节19、20世纪之交的物理学第二节爱因斯坦及其狭义相对论第三节从万有引力到广义相对论19二月202424第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量三等效原理广义相对性原理2005年纪念爱因斯坦活动19二月202425第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律

精确性：计算人造卫星、宇宙飞船的理论；

问题：万有引力的本质？19二月202426第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量事实：地球表面的物体受到的重力等于受到的引力，一个物体的惯性质量等于引力质量。

F=m惯a=G=m引g

感悟：在引力场中一切物体都具有相同的加速度,这条定律也可表示为惯性质量（维持原状态能力）与引力质量相等。他当时就使我认识到它的全部重要性。我为他的存在感到极为惊讶，并猜想其中必定有一把可以更深入的了解惯性与引力的钥匙。19二月202427第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量等效原理问题：狭义相对论取消了绝对空间的优越地位，既然运动要用速度和加速度来描写，速度是相对的，加速度为何是绝对的呢？等效原理：在处于均匀的恒定引力场影响下的惯性系中，所发生的一切物理现象，可以和一个不受引力影响，但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同。这种引力与惯性的等效性，称为等效原理。或表述为：用一个非惯性系k,与用内部存在一均匀引力场的惯性系∑来描述的物理过程的规律，是完全等效的19二月202428第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量等效原理推理：引力可归结为由加速系统体现出来的时空几何特征（时间、空间距离的测量，时空的弯曲性质等），不同的加速系统就有不同的时空几何特征，代表了不同的引力场。广义相对论实际上是一种引力理论。

引力的本质：引力就是时空弯曲，在广义相对论中，引力本身已不存在。19二月202429第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量等效原理四、广义相对性原理：一切物理规律在任意参考系中（惯性系－静止、匀速；非惯性系－加速；重力场）的表达均有相同的形式，即任意参考系都是平等的（狭义相对论局限在惯性系中）。19二月2024301、牛顿引力理论计算的结果比广义相对论小一半!太空中匀速运动参考系中光的传播太空中加速上升参考系中光的传播伽利略相对性原理狭义相对论相对性原理19二月202431广义相对论实际上是一种引力理论。

引力的本质：引力就是时空弯曲，在广义相对论中，引力本身已不存在。按照引力方法计算

太阳表面的空间弯曲程度（近似）0.1m3000,000m19二月2024322、广义相对论的实验检验--引力频移从引力较强的星体发出的光射到地球上时，频率变低，波长变长。大质量恒星附近空间较弯曲地球附近空间较平坦19二月202433水星近日点的剩余进动约每百年差43”牛顿能解释1032’27’’实际是1033’20’’,2、广义相对论的实验检验

--行星进动19二月202434星太阳月

2、广义相对论的实验检验—光线传播路径发生弯曲拍摄位置19二月202435第五讲相对论第三节从万有引力到广义相对论万有引力定律引力质量与惯性质量三等效原理广义相对性原理

2005年纪念爱因斯坦活动19二月202436第五讲相对论五2005年纪念爱因斯坦活动相对论的评价：爱因斯坦的研究工作常常从最平凡,最简单的事实出发（参考系之间的关系）,而取得最深刻的结果,狭义相对论和广义相对论都具有这一特点!19二月202437艾伯特·爱因斯坦（1879—1955），美籍德国物理学家。1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。1902年6月至1909年10月，在瑞士专利局任技术员。1909年10月，任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年3月，在布拉格任德意志大学理论物理学教授。1912年10月，任苏黎世工业大学理论物理学教授。1914年4月，在柏林任德国威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。1955年4月18日逝世。爱因斯坦简介19二月20243819二月202439爱因斯坦和他的第一任妻子

米列娃·马里奇19二月202440巨星—爱因斯坦(AlbertEinstein)1879年3月14日出生于德国慕尼