相对论的建立和发展

1、7.1历史背景，第7章，相对论的建立和发展，7.2爱因斯坦创立狭义相对论，7.3狭义相对论的遭遇和实验检验，7.4广义相对论的建立，7.5广义相对论的实验检验。相对论似乎是：“一枚耀眼的火箭，它突然在漆黑的夜空中划出一道非常强烈的光辉，照亮了一个巨大的未知领域。”德布罗意，7.1相对论的历史背景，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论的逻辑延续和发展，是物理学所有相关分支的综合结果。在19世纪下半叶，光速的精确测量为光速的不变性提供了实验基础。从电磁理论来看，光速不变是一个自然的结论。然而，这个结论与力学中的伽利略变换相矛盾。牛顿在力学中对时间和空间的看法绝对的、真实的和数学的时间是自

2、动流逝的，由于它的本性，它与任何外部物体无关。牛顿的绝对空间，就其本质而言，是独立于外部一切的，并且总是一致的和静止的。牛顿，2。迈克尔逊莫雷实验因为人们选择了“以太”作为绝对静止的参照系，在19世纪，人们渴望找到地球相对于以太的绝对速度。1881年，美国人迈尔森设计了一个实验，但结果是“0”。1887年，迈尔森和莫雷合作并重复了这个实验，但实验结果仍然是“零结果”。根据这个结果，“以太”显然是一厢情愿的想法。尽管不断改进，结论是一样的。“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年出版的书哲学原理中。根据笛卡尔的说法，“虚空”不可能存在，整个宇宙充满了一种流动的物质，这种物质被称为“以太”。17

3、世纪，惠更斯也使用了“乙醚”一词。麦克斯韦还提出了“以太”的概念。他把“以太”作为电磁场的物质基础，认为电磁现象是“以太”运动的表现。真空中光速根据麦克斯韦电磁理论，光速“c”应该是常数，这与牛顿力学的速度叠加定律相矛盾。4.物理学家面临的选择是对牛顿力学进行解释并对其进行修补，还是彻底抛弃它并建立一个新理论。法国著名科学家亨利庞加勒在洛伦兹理论中发挥了积极作用。1895年，他用长度收缩假说对解释以太漂移的零结果表达了不同的观点。他提出了相对论原理的概念，认为物理学的基本定律不应随坐标系而改变。他的批评促使洛伦兹提出了时空转换方程。1904年，庞加莱正式表达了相对论原理。他在一次演讲中说：“根

4、据这个原理，对于固定的观察者和匀速运动的观察者来说，物理定律应该是相同的。因此，没有实验方法来确定我们是否处于匀速运动。”庞加莱还处理了洛伦兹理论，使其数学形式更加简洁。然而，庞加莱没有跳出绝对时间和空间的框架。爱因斯坦是一个有犹太血统的德国人，1900年毕业于瑞士苏黎世技术大学，1901年成为瑞士公民，毕业两年后在伯尔尼的瑞士专利局找到了一份技术员的工作。在专利局工作期间，1905年前几个月发表了四篇重要论文，提出了三个不同领域的新观点，即辐射理论、分子运动理论以及力学和电动力学基础理论。其中，论动体的电动力学篇具有划时代的意义。首次提出了全新的时空理论，解决了光速不变性和速度合成定律之间的

5、矛盾以及电磁理论中的不对称性。爱因斯坦称这个理论为相对论，简称相对论，后来称为狭义相对论。走在爱因斯坦前面的人于1879年3月14日出生在德国乌尔姆。我的父亲是一个小商人，我的母亲是一名钢琴家。上学后，他的成绩平平，但他喜欢思考。12岁时，他证明了毕达哥拉斯定理。1896年，爱因斯坦正式成为无国籍人，并被联邦理工大学录取。在大学期间，爱因斯坦爱上了物理。一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫和赫兹的著作，研究了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理教授的家里寻求建议。另一方面，他大部分时间都在物理实验室做实验，并且痴迷于直接观察和测量。爱因斯坦在瑞士联邦理工学院苏黎世实验室做了许多

6、实验。这是他使用的仪器。爱因斯坦十几岁时对哲学感兴趣。康德的纯粹理性批判和马赫的力学史评都给了他深刻的影响。大约在1902年，爱因斯坦和几个年轻的朋友组成了奥林比亚科学院，每天晚上聚在一起研究斯宾诺莎、休谟和庞加莱的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然统一的思想、休谟的时间和空间观、马赫对牛顿绝对时间和空间观的批判都引起了爱因斯坦的极大兴趣。1900年毕业于瑞士联邦理工学院苏黎世师范大学。1902年，他在瑞士联邦专利局工作，1909年离开专利局，成为苏黎世大学理论物理副教授。1911年，他是布拉格德国大学的理论物理学教授，1912年，他是他的母校瑞士苏黎世联邦理工学院的教授。1914年，应能斯特的

7、邀请，他回到德国，担任威廉皇帝物理研究所主任和柏林大学教授，直到1933年。1920年，应洛伦茨和埃伦费斯特(即p埃伦斯特)的邀请，他还是荷兰莱顿大学的特聘教授。回到德国不到四个月，第一次世界大战爆发了，他参加了公众和地下反战活动。经过八年的艰苦探索，他终于在1915年建立了广义相对论。他获得了1921年诺贝尔物理学奖。1933年，他被纳粹德国迫害，并作为普林斯顿研究所的研究员移居美国。他于1940年成为美国公民。他于1955年4月18日去世。狭义相对论的建立爱因斯坦于1900年大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。1902年，在朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦最终在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到

8、了一份稳定的技术员工作。爱因斯坦在伯尔尼专利局任职期间，广泛关注物理学的前沿动态，对许多问题进行了深入思考，形成了自己独特的观点。在长达十年的探索中，爱因斯坦仔细研究了麦克斯韦的电磁理论，尤其是由赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题困扰着他，那就是绝对参照系中以太的存在。他读了许多书，发现所有证明以太存在的尝试都失败了。经过研究，爱因斯坦发现乙醚在洛伦兹理论中除了作为绝对参照系和电磁场的负载之外没有任何实际意义。所以他想：绝对参照系是必要的吗？电磁场必须有负载吗？当时的物理学家普遍相信以太，也就是说，相信有一个绝对的参照系，它受到牛顿的绝对空间概念

9、的影响。19世纪末，马赫在他的发展中的力学一书中批评了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦和一个朋友贝索讨论了这个已经探索了十年的问题。贝索根据马赫的观点阐述了自己的观点，并进行了长时间的讨论。突然间，爱因斯坦意识到他学到了什么。他回到家，反复思考这件事。最后，他想了解这个问题。第二天，他再次来到贝索的家，说：“谢谢你，我的问题已经解决了。”事实证明，爱因斯坦清楚地想到了一件事：时间没有绝对的定义，时间和光信号的速度之间有着不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙。经过五周的努力，爱因斯坦向人们展示了他的狭义相对论。1905年，他发表了三篇关于狭义相对论的文

10、章。早在16岁时(1895年)，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以光速(真空中的光速)跟随光，我会看到这样一个光，就像电磁场在空气中振荡并停滞不前。然而，无论是基于经验还是麦克斯韦方程，似乎都不会有这样的东西。”这是一个悖论，它实际上包含了狭义相对论的萌芽。爱因斯坦对这个问题的思考经历了一个漫长的过程。他回忆道：“当我第一次有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，也不怀疑地球相对于以太的运动”。他甚至想象用热电偶做一个实验，比较不同方向的两束光释放的热量。爱因斯坦很快了解到迈克尔逊-莫雷实验的零结果。他因此意识到地球相对于以太的运动不能用任何仪器来测量。他继续回忆道：“如果你承认迈克尔逊的

11、零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法是错误的，这是我通向狭义相对论的第一步。”爱因斯坦在1895年读了洛伦兹的论文，他意识到洛伦兹方程不仅适用于真空中的参照系，也适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐索关于流水中光速的实验。当时，他坚信麦克斯韦和洛仑兹的电动力学方程是正确的，但经过进一步的计算，发现保持这些方程对运动物体的参照系同样有效将不可避免地导致光速不变性的概念，这显然与力学的速度合成定律相矛盾。为什么这两个概念相互矛盾？爱因斯坦对此感到困惑。起初，他想修改洛仑兹的想法来解决这个矛盾，但他花了一年时间没有取得任何进展。经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解

12、决问题的关键。在那次演讲中，他对当时的情景描述如下：“为什么这两个概念相互矛盾？我发现这个难题相当难解决。我花了整整一年时间试图修正洛伦兹的思想来解决这个问题，但徒劳无功。”是我在伯尔尼的朋友贝松帮助我意外摆脱了困境。那是一个阳光明媚的日子。我带着这个问题拜访了他，我们讨论了这个问题的每个细节。我突然意识到问题的关键。这个问题的答案来自对时间概念的分析。绝对确定时间是不可能的，时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这个新概念，我第一次完全解决了这个问题。爱因斯坦和洛伦茨在一起，在五周内(1905年6月)，爱因斯坦写下了历史性的文件论动体的电动力学，该文件于1905年9月发表在著名的德国杂志

13、物理学年鉴上。在这篇论文中，爱因斯坦果断地把两个看似矛盾的假设相对论原理和光速不变原理放在一起作为基本出发点。他称之为两个假设，其内容如下：“1。物理系统状态变化的规律与用来描述这些状态变化的参考坐标系是否是两个坐标系中哪一个匀速运动(相对论原理)无关。”“2。在静止坐标系中，任何光都以一定的速度V运动，不管光是由静止的还是运动的物体发出的(光速不变的原理)。“爱因斯坦没有像洛伦兹那样预先假定某种时空转换关系，而是从这两个假设中推导出时空转换关系。他简明地建立了一系列新的时空变换公式后，立即推出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟减速”、同时性的相对性和新的速度合成法则等。从而形成全新的

14、时空观。另一个矛盾是快速移动参考系中的时钟比固定参考系中的时钟慢。这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。在1911年4月的波隆哲学会议上，法国物理学家朗之万用孪生实验质疑狭义相对论的时间膨胀效应。设想的实验如下：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘火箭在太空旅行。以接近光速的速度飞行，这对在太空旅行的双胞胎回到地球时只有两岁，他的哥哥已经去世了，因为地球上已经过去了200年。这就是著名的孪生悖论。孪生悖论表明狭义相对论在逻辑自洽性上是不完美的。在论动体的电动力学结束时，爱因斯坦推导了电子质量与速度的关系和电子动能的公式，并预言当电子速度等于光速时，电子速度不能大于光速.1905年晚些时候，爱因斯

15、坦发表了另一篇题为物体的惯性同它所含的能量有关吗？的论文，首次提出了相对论中质量和能量转换之间的关系。物体的质量是它所含能量的量度.“如果能量改变了L，质量也改变了L/(91020)(即L/c2，这里使用的是CGS单位)。”，论动体的电动力学，发表于物理学年鉴，爱因斯坦狭义相对论的基本内容1。两个基本假设爱因斯坦在1905年9月26岁时，在德国物理学杂志发表了三篇文章，其中提出了两个基本假设：狭义相对论的相对论原理，光速不变原理，将革命性的时空观引入物理学，虽然它只有至少两个基本假设，但它与各种各样的假设有关。从这两个假设中，他得到了洛伦兹变换，它显示了时间、空间和运动之间不可分割的联系，并使

16、牛顿力学得到了推广，并概括了时空观。2.狭义相对论引起的概念变化，同时性的相对性，长度收缩和运动，时间膨胀效应，速度转换公式，质量速度关系，质量能量关系，能量动量关系，3。狭义相对论是一种基础坚实、逻辑结构严密、形式完美的物理理论，已成为现代物理学的支柱。4.爱因斯坦的研究特色： 1。对经典理论的大胆质疑经过十年的思考，他首先看透了以太，最后放弃了以太，也就是放弃了绝对运动。马赫真正的伟大在于他坚不可摧的怀疑和独立。爱因斯坦的相对论以其最勇敢的事物理论而闻名。当爱因斯坦16岁的时候，他想到了：“如果我以C的速度跟随一束光”，我应该看到什么现象？爱因斯坦得知迈克尔逊的零结果后想，“如果零结果是事

17、实，那么地球相对于以太运动的想法是错误的！”爱因斯坦在1895年读了洛伦兹的论文，认为如果他的方程是真的，它将不可避免地导致光速不变的概念。电磁感应现象迫使我从狭义上假设相对论。必须克服的困难在于光速在真空中的不变性。爱因斯坦，爱因斯坦认为：“如果光速不变，就会有同步相对论。”这样，爱因斯坦建立了一种新的时间和空间观。他认为时间与运动有关，而不是分离，并建立了一个四维空间。3.追求科学理论的和谐性和自然性，我认为科学理论应该是完整的，即没有矛盾和不一致，例如，牛顿的运动定律与事实相矛盾，所以应该改革。人们认为科学理论应该逻辑简单，概念和假设应该尽可能少，理论应该简洁。科学应该对称和谐。爱因斯坦总结了他的记忆，说：“这就像爬山一样。它爬得越高，越宽，越能显示出我们的起点和它周围广阔区域之间意想不到的联系。”狭义相对论认识的曲折历程1。一般来说，我看不懂。我不明白。在法国，1910年几乎没有人提到爱因斯坦。JJ汤姆森1909:“乙醚对我们来说就像我们呼吸空气一样不可或缺。”玛吉，1911年：“我相信没有活着的人会断言时间是速度的函数。“迈克尔逊去世(1931年)，认为相对论是一个怪物。7.3狭义相对论的遭遇和实验检验，2。普朗克支持：“如果相对论是正确