时空理论的变革——相对论.doc

1、时空理论的变革相对论 爱因斯坦及其相对论爱因斯坦（A.Einstein 1978-1955）“我们全都获益匪浅，全世界都要感谢他的教诲，那末属于他个人的东西，早已传遍广大人群。他象行将陨灭的慧星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结”。歌德为席勒的葬礼而写的诗“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过可以肯定地说他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献更加深入到人类思想基本概念的结构中去了。”朗之万瑞典科学院颁发1921年诺贝尔物理学奖的措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理领域的其它工作，特授予资金。”在不久之前，加拿大环球时报约请世界各地读者评选“从公元1001年起，迄今1000年内对环球最有影响的100位伟人”荣登榜首的正是爱因斯坦 狭义相对论（1905年）问题：以太之谜，迈克尔逊一莫雷实验光速不变与牛顿时空观的矛盾。爱因斯坦的方案：光速不变原理 构建新的时空理论 改造经典力学相对性原理两种时空理论的比较：伽利略变换洛仑兹变换x=x-vty=yz=zt=tx=y=yz=zt=1/时间，空间两者独立，没有联系1/时间，空间密不可分，物理事件总是发生在时空中2/同时的绝对性 t=t2/ 同时的相对性 tt3/速度大小没有限制3/光速是极限，一切物体运动速度不能超过光速4/绝对时空的普遍性，没有任何限制4/伽利略变换是洛仑兹变换的低速极限（ 0的极限）5/空间长度不变， 5/空间长度在运动方向上缩短时间间隔不变t=t0时间进程变慢简单的速度合成u=u+vt=速度合成公式保证光速不变u=两个重要的动力学结论m= 质速关系E=mc2 质能关系存在问题光速为什么是不变的？光速为什么是不可超越的？超光速现象存在吗？ 广义相对论（1915年）问题：惯性的特殊地位； 牛顿引力论的困难； 引力如何纳入相对论。爱因斯坦解决方案：议协变原理一切参考系平等任何参考系表达的物理方程形式不变等效原理mI=mG引力与惯性力等效 把引力与参考系时空性质相联系议相对论的新时空观：时空几何性质由引力场强弱分布决定由物质的分布及其运动决定；引力场越强，空间弯曲得越厉害，时间进程就越慢；地球的引力场很弱，太阳附近的引力场也不增，这里的时空可近似看作平直时空，即欧几里得空间。强引力场条件：引力源质子人地球太阳银河系10-4010-2510-910-510-6实验验证：1）太阳光谱线的引力红移2）水星近日点剩余进动（42/百年）3）星光在太阳附近的偏折（1.75）（1919年）4）利用穆斯堡尔效应测定引力频移（1960年）5）利用雷达回波在引力场中的时间延迟（1968，1977）存在问题：变化引力场中的时间问题，量子化问题2、经典力学的突破量子力学量子论a）黑体辐射的紫外灾难与普朗克的量子论（1900年）经典理论的连续性信条的第一次挫败，普朗克引入的不连续的能量子=hv突破了经典物理的连续性原理，从此标志了量子物理的诞生，普朗克被称为量子论之父。量子化物理量的分立化微观世界的基本特征之一。b）光电效应对经典物理的发难与爱因斯坦的光量子假设（1905年）光的小姐动学说难以解释光电效应，经典连续性理论的又一次失败，爱因斯坦把普朗克的能量子假设推广到光辐射问题上，简单引入光量子=hv假设，光电效应很快解决了理论解释，爱因斯坦因此而获得了1921年的诺贝尔物理奖。c）经典原子模型的困难及玻尔的量子化假设1911年卢琵福实验确立了原子有核模型的地位，但原子有核模型却存在着原子稳定性以及原子光谱与经典物理严重冲突的困难，归结起来，还是连续与不连续的困难！坡尔于1913年提出了原子模型的新理论，在他的新理论中，主要是两条假设：定态与跃迁。定态：原子中的电子只能在确定的几个状态上存在，而原子保持稳定；跃迁：原子中的电子在不同定态间的跃迁，发射出单一频率的申磁波，其频率由普朗克公式确定。“为什么是这样？不知道为什么，但只有这样才能很好解释实验现象”。普朗克的量子论打开了量子世界的一扇窗户。玻尔的原子理论则打开了量子世界的大门，由此人们“登堂入室”。 量子力学a）1924年德布罗意在他的博士论文中提出了一切实物粒子亦具有波动性的假设，他把实物粒子的波性质与粒子的能量与动量相联系。E=hv，P=德布罗意认为“一束电了穿过非常小的孔，可能产生冲射现象，这也许是实验上证实我们想法的方向。”1927年戴维逊和革末利用电子在晶体表面上的反射产生冲射的实验；汤姆逊又用电子通过金简获得电子冲射的图象，证实了德布罗意的假设。电子、质子、中子、原子、分子等一切微观粒子均具有波动性。b）薛定谔方程既然微观粒子具有波动性，不能采用经典力学位置函数的方法来描写粒子的运动，而采用所谓波函数 （r,t）来描写，1926年根据波粒的字性写出了波函数所满足的动力学方程，即薛定谔议程：以薛定谔方程为代表的量子力学亦称波动力学。另外德国物理学家海森堡与约尔丹等人在1925年创立了矩阵力学。薛定谔证明了波动力学与短阵力学等价。1927年英国物理学狄拉克则把