相对论发展史.ppt

相对论的建立,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,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：,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（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教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,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）地球上的自由落体是惯性运动,时间能量空间动量,时空曲率,物质,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：（1915年：爱丁顿西非普林西比;巴西，阴雨）=1.980.12今天：=1.89,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发现脉动双星（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。）,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！,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,四、相对论的进展,现代宇宙学黑洞奇性定理时空隧道与时间机器规范场,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