爱因斯坦与物理学的革命.ppt

爱因斯坦与相对论 相对论是关于时空和引力的基本理论 分为狭义相对论和广义相对论 物理学的开端 探究事物原理 从而获得知识 浮力定律 浸在液体里的物体受到向上的浮力 浮力大小等于物体排开液体所受的重力 杠杆原理 给我一个支点 我就可以把地球撬动 真正的物理学开始于中世纪后期 伽利略使物理学成为一门实验和测量的科学 伽利略的成就 重述惯性定律用科学的语言阐述相对性原理自由落体定律 1 惯性定律 任何物体在不受任何外力的作用下 总保持匀速直线运动或静止状态 直到有外力迫使它改变这种状态为止 2 相对性原理 3 自由落体实验 自然哲学数学原理 光学 关于光学问题 牛顿 微粒说胡克和惠更斯 波动说 一 两朵乌云二 狭义相对论三 弯曲的时空 广义相对论四 相对论的进展五 爱因斯坦的成就与影响 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 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 1900 1905 量子论的诞生 量子说光子说爱因斯坦解释光电效应 1905 爱因斯坦生平 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 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 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 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 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 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 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 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 洛伦兹变换 相对于绝对空间的变换 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 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 是相对的动尺收缩 空间是相对的动钟变慢 时间是相对的质能关系 双生子佯谬 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 最困难的思想突破 3 时间能量空间动量 究竟是谁创造了相对论 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 1904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 1905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 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数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 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 伽利略受审 牛顿与苹果落地 引力场 惯性场 局域 等效原理广义相对性原理 广义相对论 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 地球上的自由落体运动是惯性运动 弯曲的时空 时间能量空间动量 时空曲率 物质 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 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 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 光线偏折 广义相对论 1 75 牛顿理论 0 875 实验观测 1918年 爱丁顿西非普林西比 巴西 阴雨 1 980 12 今天 1 89 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 四 相对论的进展 相对论的进展 引力波现代宇宙学黑洞奇性定理时空隧道与时间机器规范场 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发现脉冲双星 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 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 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 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 黑洞 r 视界 r 0奇点 tr洞外时间空间洞内空间时间 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 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 宇宙中的虫洞 时空隧道与时间机器 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 五 爱因斯坦的学术成就与影响 E mc2 狭义相对论 博士论文 获诺贝尔奖之作 导致Perrin获诺贝尔奖 1905 爱因斯坦 怎样获得诺贝尔奖 提名Einstein的领域 相对论 量子论 引力论 布朗运动 光量子 统计力学 临界乳光 比热 数学物理 光电效应 爱因斯坦 德哈斯效应等 提名最多的领域是相对论 包括狭义和广义相对论 但是 获奖的却是光电效应 1921光电效应 得奖年 1921得奖人 A Einstein得奖项目 forhisservicestotheoreticalphysics andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect瑞典皇家科学院秘书的信 但是没有考虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应获得的评价 检验爱因斯坦理论或与爱因斯坦理论密切相关的研究工作而获诺贝尔奖的 1926布朗运动 得奖年 1926得奖人 J B Perrin得奖项目 forhisworkonthediscontinuousstructureofmatter andespeciallyforhisdiscoveryofsedimentationequilibrium说明 首次实验证明Einstein的布朗运动理论 1927康普顿效应 得奖年 1927得奖人 A H Compton得奖项目 forhisdiscoveryoftheeffectnamedafterhim说明 首次证明光子同时具有能量 动量 频率 波长 E h p h 1951E mc2 得奖年 1951得奖人 SirJ D Cockcroft E T S Walton得奖项目 fortheirpioneerworkonthetransmutationofatomicnucleibyartificiallyacceleratedatomicparticles说明 averificationwasprovidedbythisanalysisforEinstein slawconcerningtheequivalenceofmassandenergy 1964受激辐射 得奖年 1964得奖人 C H Townes N G Basov A M Prochorov得奖项目 forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser laserprinciple说明 maser laserbasedon受激辐射 1993引力波 得奖年 1993得奖人 R A Hulse J H Taylor Jr得奖项目 forthediscoveryofanewtypeofpulsar adiscoverythathasopenedupnewpossibilitiesforthestudyofgravitation说明 验证了引力波 2001Bose Einstein凝聚 得奖年 2001得奖人 E A Cornell W Ketterle C E Wieman得奖项目 fortheachievementofBose Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates 爱因斯坦的工作还会导致哪些诺贝尔奖 量子信息学与量子纠缠 EPReffectEntanglement量子信息学量子计算机 类星体与引力透镜效应 1979 Walsh Carswell Weymann发现了首个类星体 0957 561 的引力透镜现象 随后 一大批引力透镜现象 包括爱因斯坦环 爱因斯坦弧等 被发现 微波背景辐射各向异性的发现 COBE卫星WMAP卫星导致精确宇宙学 和谐宇宙学的建立 黑洞物理及其观测 黑洞物理以及黑洞天体物理黑洞吸积及辐射黑洞观测与证认 引力波的探测 间接检验引力波已有Hulse Taylor工作 已获奖 双脉冲星观测已有许多方案和卫星设计直接观测引力波 很可能会导致新奖 宇宙学与宇宙常数 爱因斯坦宇宙宇宙常数 万有斥力宇宙常数 三起三落宇宙年龄减速因子 加速膨胀的发现暗能量精确宇宙学 和谐宇宙学大突破的前夕 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 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