爱因斯坦与相对论

1、爱因斯坦与相对论第1页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 1675 库仑定律 1820 电流磁效应（毕萨定律） 1822 安培作用力定律（电动力学一词开始使用） 1831 电磁感应（法拉第），场的思想 1856-1873 麦克斯韦方程，预言电磁波的存在 1881-1887 迈克尔逊莫雷实验 1888 赫兹证实电磁波存在 1905 爱因斯坦创立狭义相对论电磁场理论的发展历史简介第2页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 Michael Faraday 电磁感应定律 法拉第最初公布他的发现时，一位贵夫人问： “这有什么用？”他说：“一个新生的婴儿又 有什么用？

2、 ”第3页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五James Clerk Maxwell 18311879科学成就：电磁场理论和光的电磁理论奠基人，成功预言了电磁波的存在，1873出版专著电磁学通论；他建立了实验验证的严格理论，并重复卡文迪许的实验，他还发明了麦克斯韦电桥；运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律；创立了定量色度学；负责建立起来的卡文迪许实验室 。48岁去世。法拉第专于实验探索，麦克斯韦擅长理论概括 第4页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五爱因斯坦简介20世纪最杰出的科学家 1879-1955 爱因斯坦1879年生于德国乌尔姆。17

3、岁进苏黎世工业大学师范系物理学专业，1900年毕业。1902年进伯尔尼瑞士专利局工作。1905年发表五篇划时代的论文，在物理学三个领域中取得历史性成就，特别是狭义相对论的建立推动了物理学理论的革命。同年取得苏黎世工业大学博士学位。1916年创立广义相对论。一生发表论文200多篇，专著几十部。1925年因成功解释光电效应获得诺贝尔物理学奖。第5页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五School class photograph in Munich, 1889. Einstein is in the front row, second from right. 第6页，共46页，2

4、022年，5月20日，2点54分，星期五第7页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五改变物理学面貌的五篇论文分子大小的新测定, 博士学位论文，1905.04.分子热运动所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动, 1905.05.论动体的电动力学, 1905.06.物体的惯性同它所含的能量有关吗？, 1905.09.关于光的产生和转化的一个试探性观点, 1905.03.1905年爱因斯坦的学术成就-第8页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第9页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第10页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五经典时空

5、基本概念 时间绝对性 空间绝对性 时空分离性 力学相对性原理在一切相对作匀速运动的惯性系中，牛顿力学定律具有相同形式；一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。不能在一个惯性参照系内做实验确定该参照系相对另一惯性系的速度。 经典时空观说明时间间隔和空间间隔与运动无关，且二者之间没有联系。第11页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 牛顿定律不变性 经典时空观的数学表述-伽利略变换 伽利略速度变换式经典时空的局限性主要在于：1）认为光速在不同的惯性系中是一个可变量且与光源的运动速度有关：2）在伽利略变换下麦克斯韦电磁场方程不满足相对性原理。OZXYOZYvP(x,y,z)X第1

6、2页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五击前瞬间击后瞬间先出球，后击球 -先后颠倒举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾光传到乙的时间：光传到乙的时间：伽利略变换下麦氏方程等可变性的三种看法 麦克斯韦方程不正确 伽利略变换不适合高速运动 电磁运动不服从相对性原理 伽利略变换 相对性原理 麦克斯韦方程第13页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 迈克耳逊 莫雷实验 假定相对性原理不成立，麦克斯韦方程的形式仅在以太中成立。因此在地球上可以设计实验来验证地球相对“以太”的速度。反过来可以通过实验寻找“以太”静止的绝对参考系。 假定在“以太”中光速各项同性且恒等于

7、C，而在其它参考系 光速各项异性。地球系以太风 假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当绕太阳的运动速度。第14页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五迈克耳逊莫雷实验的零结果，说明了“以太”本身不存在。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。1881年迈克耳逊第一次实验，预期1887年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期实验结果迈克耳逊干涉仪精度可观测到0.01个条纹的移动。1907年迈克耳逊因创制精密光学仪器获得诺贝尔物理学奖第15页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五恒星光行差现象：理论计算：对太阳光的实验观测： 拖曳理论 地球不是绝对参照系。但由于以

8、太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。对实验结果的几种解释 第16页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。 发射理论地球12 收缩假定（1892年洛仑兹斐兹杰惹）假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为在此基础上建立了一套惯性系间的变换关系，可证明麦克斯韦方程在此变换下不变。第17页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 真空中光速相对任何惯性系

9、沿任何一个方向大小恒为c，且与光源运动速度无关。一切物理定律在所有的惯性系中都具有相同形式；一切惯性系都等价，不存在特殊的绝对的惯性系。1、相对性原理2、光速不变原理狭义相对论的基本原理 核心问题机动 目录 上页 下页 返回 结束 3、时空间隔（间隔）第18页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五例：光速不变将导致同时的相对性 观测到A与B同时收到光信号！观测到A先收到B后收到光信号！ABCCABCC机动 目录 上页 下页 返回 结束 第19页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五4、洛伦兹变换坐标变换公式OZXYOZYvP(x,y,z)X速度变换公式第20页，

10、共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五关于洛伦兹变换的分析与讨论（1）当 洛伦兹变换简化为伽利略变换式（2）光速是各种物体运动的一个极限速度 虚数（洛伦兹变换失去意义）(3) 不排除超光速现象0.6c0.8cxy（B）分离速度（A）视速度第21页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五（1）尺度收缩效应相对论理论：固有长度（又称原长）结论:运动尺子长度沿运动方向收缩。5、相对论著名效应经典理论：第22页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五（2）时钟延缓效应固有时（原时） 经典力学绝对时间概念只不过是狭义相对论的时间概念在低速情况下的近似，若 爱因斯

11、坦延缓: 运动参考系中的时间节奏变缓了。在其中，一切物理、化学过程、乃至观测者自己的生命节奏都变缓。第23页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 例:子是1936年由安德森（ C. D. Anderson ） 等人在宇宙线 中发现的。 它可自发的衰变为一个电子和两个中微子。 自发衰 变的平均寿命子。 地球上层大气中时，会形成丰富的,当高能宇宙射线质子进入 在离地面 高空产生的设来自太空的宇宙线子，可否在衰变前到达地面？ 已知子相对于地球的运动速率为在该时间内粒子运动的距离 时间延缓法S 动，S 静 长度缩短法S 静，S 动粒子寿命内，S 系运动距离而 S 系测量宇宙线离地面在

12、衰变前，粒子可与地球相遇。第24页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 孪生子效应（孪生子佯谬）简介明明亮亮亮亮亮亮明明究竟谁年轻 ？1）一般情况，因具有加速度，超出了狭义相对论的理论范围。相对于惯性系转速越大的钟走得越慢与孪生子效应一致。2）1971年的铯原子钟实验。比静止在地面上的钟慢59 纳秒。第25页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五思考题2： 一个人扛一个固有长度为L的梯子，以相对地面速度v冲进一个固有长度为L的厂房。当梯子末端刚进厂房时，梯子的前端将处在什么位置？思考题1：两个相距L 的点光源，正好可用一长度为L的挡板将它挡住。现使挡板以速度v

13、运动。试问挡板能否同时挡住这两个点光源？ AB第26页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五 光波的经典多普勒效应（3）相对论多普勒效应光源靠近观察者光源远离观察者光源垂直观察者设光源的固有频率 ，运动频率第27页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五光源靠近观察者光源远离观察者 光源垂直于观察者运动： 这称为横向多普勒效应，已被实验证实，是狭义相对论正确性的有力证据之一。红移 光波的相对论多普勒效应利用四维时空方法得到该效应第28页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五狭义相对论的其它内容建立了四维时空理论；理论上证明了恒星光行差现象；证明了麦

14、克斯韦方程在洛伦兹变换下的协变性；通过引入运动质量，证明物体E=mc2 ，在低速时Em0c2 m0v2 /2，并指出能量守恒、动量守恒定律在相对论情况仍适用；一般情况经典力学是狭义相对论当v0时的极限；在相对论情况下的三维空间中，力学规律与经典形式上完全一致。第29页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五狭义相对论的伟大意义指出了经典时空存在的缺陷，建立了新的时空理论，揭示了： 时间与空间的统一， 电场与磁场的统一， 物质与能量的统一。第30页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五1915年以后。爱因斯坦提出等效原理和广义协变性原理，创立广义相对论这一革命性的引

15、力理论，认为引力是物质使时空弯曲的表现。并预言了引力波的存在。牛顿认为时空属性与其中的物质无关。万有引力的传递是超距的，不需要时间。到底是在平直时空中物质仅仅使光线变弯，还是光在被物质弯曲了的时空中传播，天文观测可以裁决孰是孰非。广义相对论简介第31页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五六大疑难：对称性破缺、夸克禁闭、粒子自旋、暗物质 与暗能量、类星体和引力场的量子化。一百年来的科技发展：一台电脑：计算机信息处理与人工智能；两大支柱：相对论和量子论三个模型：标准宇宙模型、标准粒子模型和双螺旋模型； 四项工程：曼哈顿工程、阿波罗工程、克隆工程和人类基 因组工程；五种技术：微电子

16、技术（半导体和超导技术）、核能技术、 激光技术、纳米技术和航天技术；第32页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五与爱因斯坦研究成果直接相关而获诺贝尔奖的科学家1923 单元电荷和光电效应实验研究R. A. Millikan1926 实验证明布朗运动J.B. Perrin1927 康普顿效应A.H. Compton1929 de Broglie波Louis de Broglie1951 E=mc2Sir J.D. Cockcroft & E.T.S. Walton1964 受激辐射C.H. Townes, N.G. Basov, A.M. Prochorov1993 引力波R.

17、A. Hulse, J.H. Taylor2001 BoseEinstein凝聚E.A. Cornell, W. Ketterle, C.E. Wieman第33页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五世界物理年 (The World Year of Physics) 这个概念，缘起欧洲物理协会于 2000 年 12 月在柏林召开的第 3 届国际物理科学会议。2002 年 10 月在国际纯粹及应用物理联盟 (IUPAP) 第24次大会全体一致通过推动 2005 年为世界物理年这一提案。同时也获得联合国教科文组织第32次大会的支持。2004年6月10日第58届联合国大会通过了20

18、05年为“国际物理年”的决议。后又改回世界物理年。联合国世界物理年第34页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五巴黎会议：以“明天的物理”为主题，就“21世纪物理与社会经济挑战”、“公众对物理与科学的理解”进行了与公众互动的公开讨论，8名诺贝尔奖获得者做了精彩报告或发言。中国物理学会前理事长、国家自然科学基金委前主任陈佳洱先生应邀担任大会国际顾问委员会和国际指导委员会委员，并应邀在圆桌会议上代表中国物理学2005年1月13-15日，巴黎UNESCO会和国家自然科学基金委做了题为“物理学是文化的一部分的发言。第35页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第36页，

19、共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五石家庄二中的活动现场第37页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第38页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第39页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五第40页，共46页，2022年，5月20日，2点54分，星期五寻找第二个爱因斯坦与钱学森之问 爱因斯坦对世界的影响到底如何？英国广播公司曾经做过一个“千年思想家”评选，他们分别是：马克思、爱因斯坦、牛顿和达尔文 。 相对论并非没有缺陷，它与现代物理学的另一基石量子论的不一致至今没有解决， 。这些问题的解决，可能需要另一个伟大的头脑。“寻找第二个爱因斯坦与超越爱因斯坦”，正是“世界物理年”的最大主题。人们坚信一定会有一颗年轻的、与爱因斯坦同样智慧的心等待被发掘。 但是，为什么多年来没有出现新的“爱因斯坦”呢？ 这让我们想起了钱学森之问:中国（国内出生国内成长）为什么没有人获得诺贝尔科学奖？是教育问题? 还是其它什么问题？第41页，共46页，2022年，5月20日，2点54