资源描述
Page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,第,2,章 走进相对论,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1.,两朵乌云,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.,爱因斯坦的学校生涯,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3.,爱因斯坦的丰收年,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,4.,光行差现象,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,5.,迈克尔孙实验,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,6.,洛仑兹收缩与洛仑兹实验,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,7.,突破绝对时空观,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,8.,相对论的核心观念,“,同时”的相对性,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,9.,动尺缩短与动钟变慢,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,10.,双生子佯谬,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,11.,质量公式与质能关系,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,12.,四维时空,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,13.,相对性原理与光速的绝对性,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,14.,相对论的困难,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,15.,爱因斯坦：邮票上的画传,Page,*,第,2,章 走进相对论,文科物理,2010,改变世界的物理学,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，,上帝说，,让牛顿去吧,，,于是一切成为光明。,但不久，,魔鬼说，,让爱因斯坦去吧,，,于是一切又重新回到黑暗中。,亚历山大,蒲柏（英国诗人）,斯夸尔（英国诗人）,Page,1,1900,年,在英国皇家学会迎接新世纪的年会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后,他充满自信地说,:,物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修补工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云,一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克耳孙实验有关。,Page,2,然而,事隔不到一年就从第一朵乌云中降生了量子论,紧接着从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇,物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。,Page,3,事情还要从,19,世纪下半叶说起, 1870,年,在“铁血宰相”俾斯麦的领导下,德国,(,普鲁士,),赢得了普法战争,从法国得到大量战争赔款,同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国,急于从一个以农业为主的“土豆王国”,变成一个工业化的“钢铁王国”。,普法战争,Page,4,德国发展钢铁工业万事具备,就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温,数千度的炉温,任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度,这就大大促进了对黑体辐射,(,热辐射,),的研究。,Page,5,黑体辐射,物理学家以谐振子为基础来构造辐射模型。奇怪的是,无论怎么努力,理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。维恩的模型在长波波段偏离较大。瑞利和金斯的模型则在短波波段偏离很大。这就是开尔文勋爵谈的第一朵乌云黑体辐射困难。,Page,6,普朗克提出了能量量子的概念,给出了著名的普朗克公式,E =,h,其中,E,是辐射量子的能量,是辐射的频率,h,是一个常数,就,是现在众所周知的普朗克常数。,普朗克的论文开创了量子论,标志,着近代物理学的开端。,Page,7,年青的爱因斯坦发展了普朗克的量子论。他认为,辐射本质上就是一份份不连续的。不论在原子发射、吸收它们的时候,还是在传播过程中,它们都是一份份的。,爱因斯坦,Page,8,观察到光的干涉、衍射现象之后,惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。既然光是波动,就应有载体。一些人想到了以太，认为,以太可能就是光波的载,体。,19,世纪下半叶,以太,被描述成无孔不入、无,所不在的东西，充满宇,宙，它轻且透明，而且,弹性极好。它是传播光,的载体。,Page,9,第二朵乌云指的就是迈克耳孙实验与光行差现象的矛盾。,1905,年,爱因斯坦解决了这个问题。他在一篇论文中,提出了开天辟地的新思想,抛弃了以太理论和牛,顿的绝对时空观。,光行差原理,Page,10,爱因斯坦还有一个特点，能够长时间集中注意力。爱因斯坦的父母酷爱音乐，对小爱因斯坦产生了很大影响。他会拉小提琴，可以说小提琴和数学物理一起，伴随了他的一生。,爱因斯坦拉提琴,Page,11,年轻的爱因斯坦热爱数学和物理，但他不会意大利语，又不喜欢德国，于是决心到瑞士德语区去求学。他第一次投考苏黎士工业大学没有考上。于是进入瑞士的阿劳州立中学补习。这所学校给学生以充分的自主,和自由。爱因斯坦一生中对,学校很少有好印象，只有阿,劳中学的补习班是个例外。,Page,12,经过一年的补习，爱因斯坦终于如愿以偿进入苏黎士工业大学教育系学习。这是一个培养数学、物理教师的系，所开课程主要是数学和物理。他经常在下午放学后才去,他或者到实验室一个人摆弄实验,验证一下白天自,学的物理知识；或者与一、,两个知心同学到学校的咖,啡馆去讨论学术问题。,Page,13,1902,年格罗斯曼设法把爱因斯坦推荐给伯尔尼发明专利局。在那里，爱因斯坦终于得到一个固定的工作，这使爱因斯坦有了结婚的经济基础。同米列娃结婚之后，两个儿子相继来到人间。家庭负担的加重，但是，爱因斯坦是,“,一只快活的小鸟,”,，他在艰苦的条件下，继续思考着科学中最重要的问题。,Page,14,爱因斯坦经常审理发明,“,永动机,”,的申请，这虽然费去他一些时间，但荒唐而活跃的思想也多少给他输入新的灵感。在专利局工作期间，爱因斯坦与他的几位热爱科学与哲学的好友组织了一个叫做,“,奥林匹亚科学院,”,的小组。这是一个自由读书与自由探讨的俱乐部。,Page,15,1905,年,3,月,关于光的产生与转化的一个启发性观点,1905,年,4,月,测定分子大小的一个新方法,1905,年,5,月,热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动,1905,年,6,月,论动体的电动力学,1905,年,9,月,物体的惯性同它所含的能量有关吗,? ,Page,16,1915,年，爱因斯坦又进一步发表广义相对论，提出时空弯曲的思想，建立起十分难懂的崭新的时空观。相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很难被普通人所理解。,Page,17,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，,上帝说，,让牛顿去吧,，,于是一切成为光明。,但不久，,魔鬼说，,让爱因斯坦去吧,，,于是一切又重新回到黑暗中。,Page,18,1801,年，托马斯,杨的双缝干涉实验表明，光是一种波动。亚里士多德认为，以太只存,在于,“,月上世界,”,，,19,世纪,的学者们则进一步认为；以,太充斥全宇宙。他们认为光,就是以太的弹性振动，光能,从遥远的星体传播到地球，,表明以太不仅透明而且弹性,极好。,Page,19,科学界认为比较合理的设想是；以太相对于牛顿所说的,“,绝对空间,”,静止，因而在绝对空间中运动的地球，应该在以太中穿行。天文学上的,“,光行差,”,现象似乎支持这一观点。所谓,“,光行差,”,现象，是天文学家早就注意到的一种现象：观测同一星体的望远镜的倾角，要随季节做规律性变化。,光行差,Page,20,如果地球相对于以太整体静止，望远镜只须一直对着指向星体的方向看就可以了。然而地球在绕日公转，望远镜必须随着地球运动方向的改变而改变倾角，才能保,证观测星体的光总是落入望远镜筒,内。当时科学界认为以太相对于,“,绝对空间,”,静止，因此地球相对,于以太的速度也就是相对于,“,绝对,空间,”,的速度。美国科学家迈克耳,孙试图用干涉仪来精确测量地球相,对于以太的运动速度。,Page,21,“光行差”现象告诉人们以太相对于地球有漂移，迈克耳孙实验则没有测到这种漂移。这就是相对论诞生前夜物理学遇到的一个严重困难，即开尔文所说的乌云中的一朵。,迈克尔孙实验装置,Page,22,19,世纪下半叶，麦克斯韦从介质的弹性理论导出了一组电磁场方程。虽然今天我们知道从介质的振动去推导电磁场方程既不正确也无必要，但麦克斯韦所得的结论还是正确的，他对电磁理论的贡献仍是伟大卓越的。,Page,23,在麦克斯韦理论中，真空中的光速是一个恒定的常数。电磁波如果在惯性系,A,中是,c,，在相对于,A,以速度,v,运动的另一个惯性系,B,中，就不应再是,c,了，而应是,c,v,或,c,v,。那么，毛病出在哪里呢,?,Page,24,回顾一下上面的讨论，不难看出，我们用了以下一些原理,:,麦克斯韦电磁理论，它要求光速只能是常数,c,； 相对性原理，它要求包括电磁理论在内的所有物理规律在一切惯性系中都相同；,伽利略变换，即作为速度迭加原理的,平行四边形法则，它被当作相对性原,理的数学体现；就是这三条原理导致,了矛盾。,Page,25,为了保留以太理论，同时克服上述理论上的困难和实验上的困难，当时最杰出的电磁学专家洛伦兹等人决定放弃相对性原理。,他们想保留麦克斯韦电,磁理论,同时解决迈克耳,孙实验与光行差实验的,矛盾。,迈克尔孙实验装置,Page,26,爱因斯坦不知道洛伦兹等人的工作，也没有注意迈克耳孙实验，他主要抓住的是斐索实验与光行差实验的矛盾。斐索实验研究了流水对光速的影响，其结论是作为介质的流水似乎部分地拖动了以太，但又没有完全拖动。这也与光行差现象认为运动介质完全不拖动以太的结论相冲突。,Page,27,爱因斯坦深受奥地利物理学家兼哲学家马赫的影响。马赫曾勇敢地批判占统治地位的牛顿的绝对时空观，认为根本就不存在绝对空间和绝对运动，一切运动,都是相对的。爱因斯坦认,为,“,光速不变,”,和,“,相对,性原理,”,比伽利略变换更,基本。他把,“,光速不变,”,看作一条基本原理。,Page,28,爱因斯坦是在长时间的反复思考之后，才得出这一原理的。早在他的相对论论文发表之前一年多，他就认识到相对性原理和麦克斯韦电磁理论都是大量实验证实的理论，都应该坚持。,Page,29,爱因斯坦,1922,年在日本京都的一次演讲中曾提到，他与贝索的讨论，使他认识到两个地点的钟,“,同时,”,，并不像人们通常想象的那样，是一个,“,绝对,”,的概,念。物理学中,的概念都必须,在实验中可,测量，,“,同时,”,这个概念也不,例外。,Page,30,而要使,“,同时,”,的定义是可测量的，就必须对信号传播速度事先要有一个约定。由于真空中的光速在电磁学中处于核心地位，,爱因斯坦猜测应该约定真空中的光速各向同性而且是一个常数,，在此基础上来定义异地时间的同时。,Page,31,在光速不变原理和相对性原理的基础上,爱因斯坦推出了两个惯性系之间的坐标变换关系,这个关系就是洛伦兹等人早已得出的变换公式。 不过，爱因斯坦是,在不知道洛伦兹等人的工作的,情况下，独立推出这一公式的。,Page,32,我们看到非常有趣的情况，相对论的最主要的公式洛伦兹变换，是洛伦兹最先给出的，但相对论的创始人却不是洛伦兹而是爱因斯坦。应该说明,这里不存在篡夺科研成果的问题。洛伦兹本人也认为，相对论是爱因斯坦提出的。,Page,33,以洛伦兹变换为核心的相对论，使人们的时空观念发生了巨大的变化，它不仅预言了长度的洛伦兹收缩，而且得出了,“,同时的相对性,”,、,“,运动时钟变慢,”,、,“,质能关系,”,等一系列新颖的结论。,Page,34,火车的速度为每秒,29,万公里，光速为每秒,30,万公里。,在火车中：,两光脉冲,同时,到达反光镜。,在地面上：,牛顿观点：,向前脉冲速度,59,万公里,/,秒，向后脉冲速度,1,万公里,/,秒，光脉冲仍然同时到达两反光镜。,Page,35,爱因斯坦观点：,光向前，向后的速度,30,万公里,/,秒；光脉冲先到车尾、后到车头。,在火车里同时发生的两个事件在地面上变得不同时了！,火车的速度为每秒,29,万公里，光速为每秒,30,万公里。,在火车中：,两光脉冲,同时,到达反光镜。,在地面上：,Page,36,我们看到，相对论预言了同时的相对性。在一个惯性系中不同地点同时发生的事件，在另一个相对于它运动的惯性系中看，并不同时发生。由于同时的相对性,高速运动的刚尺，会在,运动方向上缩短。高速运动的钟，与一系列静置的钟（已校准同步）相比会变慢。理解,“,同时,”,的相对性，是弄懂相对论的关键。,Page,37,牛顿力学反映低速范围的物质运动规律，而相对论可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于光速的范围内的力学运动规律，其中不仅包括高速运动、也包括低速运动。,Page,38,运动刚尺的收缩效应，是洛伦兹等人最先提出的。,爱因斯坦的相对论也认为有这种收缩，他认为这种收缩是相对的，是一种时空效应。相对论还认为，运动刚尺的收缩是相对的，两个作相对运动的刚尺，都会认为对方缩短，这是,“,同时,”,相对性的结果，与绝对空间没有关系。相对论认为根本不存在绝对空间。,Page,39,动尺缩短,动钟变慢,Page,40,上述时钟变慢效应是真实的，已被大量实验所证实。例如静止的子的平均寿命为,2.2,微秒，当它以速度,0.995,运动时，寿命延长为,22,微秒，延长的时间与式算出的精确一致。,Page,41,时钟变慢效应是相对的。系和系中的观测者都认为对方的钟是动钟，都认为动钟变慢了。对于任何一个静钟而言，特定的动钟只与它相遇一次，就一,去不复返了。如果要让这,个动钟返回来，再与它比,较，就必须使动钟反向加,速，这时，动钟就不再属,于惯性系了。仅用上述讨,论解决不了这一难题。,Page,42,有一类青蛙，寿命为,10,天。一宇宙飞船以,0.866,c,相对地面飞行，飞船上载有这类青蛙。,地面上的观察者认为飞船上的青蛙寿命是多少？,飞船上的观察者认为地面上的青蛙寿命是多少？,这就产生了一个有趣的问题，哪里的青蛙先死？,当我们问,“,究竟哪里的青蛙先死时？,”,，我们没有说出来的埋藏在心底的信念仍然是，有一个普适的真实时间。但是请记住，并没有任何单一而普适的时间。相反的只是每个个体观察者的时间。,20,天,实际上飞船里的青蛙相对于地面的青蛙作匀速运动，永远无法相会，谁比谁活得久无法比较,!,Page,43,动尺缩短是测量结果，并非高速运动物体的视觉效应,Page,44,v,t,视觉效应：是物体上各点所发射的光线同时进入我们的眼睛所成的像。,A,B,c,t,视觉长度,A,B,v,Page,45,相对论中有一个著名的双生子佯谬，这个佯谬是相对论诞生初期，法国物理学家朗之万提出来的。,Page,46,该佯谬说，有双胞胎兄弟,A,与,B,，,A,一直生生活在地球上，,B,乘宇宙飞船到外星球去旅行，回来时,B,将比,A,年轻。如果飞船加速到接近光速，然后再返回，,B,将比,A,年轻许多。,Page,47,我们用一条横坐标轴代表三维空间，纵坐标代表时间，三维空间中静止的质点（例如人）在此四维时空中描出一条与时间轴（,t,轴）平行的直线。匀速运动的质点，由于位置随时间变化，将描出一条斜线。变速运动的质点将描出一条曲线。在相对论中称为世界线。,Page,48,在相对论中，四维时空的几何不是欧氏的，而是伪欧氏的。在此时空图中，斜边的平方等于两条直角边的平方差，两点之间以直线距离为最长。所以双胞胎中的星际旅行者经历的时间比地球上的同胞兄弟经历的时间短。,Page,49,相对论的研究表明，一个物体静止时的质量与运动时的质量不同。静止质量为的物体在以速度运动时，其质量变成,物体的运动速,度越大，它的质量,就越大。,Page,50,相对论还指出，物体的质量和能量之间存在本质联系,上式称为质能关系式。这个公式不是告诉我们质量可以转化为能量，能量可以转化为质量。而是告诉我们能量和质量是同一事物的两个方面。凡是有质量的东西都含有能量，凡是能量，也都同时具有质量。,台北,101,金融大楼,Page,51,还可推出相对论的能量、动量和质量之间存在如下,的联系,其中动量定义为,Page,52,质速关系反映了,物质与运动的不可分割性,。,左图的曲线表示质量增大以及前述的时缓、尺缩的具体情况。,Page,53,牛顿认为，存在绝对的空间和绝对的时间，二者之间没有联系。存在着能量和动量，二者之间也没有联系。爱因斯坦的相对论则认为，时间和空间不可分割，是一个整体，称为四维时空。能量和动量不可分割，也是一个整体，称为四维动量。,Page,54,相对论认为，不存在绝对的空间，也不存在绝对的时间，空间是相对的，时间也是相对的，但它们作为一个整体则是绝对的。也就是说，存在绝对的,“,四维时空,”,。能量是相对的，动量也是相对的，但它们作为一个整体是绝对的。也就是说存在绝对的,“,四维动量,”,。此外，相对论还认为，光速是绝对的，在任何惯性系中光速都相同。,Page,55,首先正确阐述相对论，并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦，而不是别人。这是因为，只有爱因斯坦在两个基本观念（,“,相对性原理,”,和,“,光速的绝对性,”,）上同时实现了突破。,Page,56,洛伦兹与庞卡莱都曾非常接近相对论的发现。但是洛伦兹只有近距离的眼光，没有远距离的眼光，它只重视试验与观测，缺乏哲学思考；庞卡莱只有远距离的眼光，缺乏近距离的眼光，他只重视数学和哲学思考，但忽视试验与观测。,Page,57,首先，作为,“,相对论,”,基础的惯性系，现在无法定义了。牛顿认为，存在绝对空间。爱因斯坦认为不存在绝对空间，把惯性系定义为，不受力的物体在其中保持静止或匀速直线运动的参考系。但是，什么叫不受力呢？这里存在一个逻辑上的循环。定义,“,惯性系,”,要用到,“,不受力,”,。定义,“,不受力,”,，又要用到,“,惯性系,”,。,Page,58,爱因斯坦注意到的另一个缺陷是，万有引力定律写不成相对论的形式。有几年，爱因斯坦致力于把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，相对论容纳不了万有引力定律 。,Page,59,在取得巨大成就的喜悦之中，爱因斯坦冷静地看到，自己的理论存在着与,“,惯性系,”,和,“,万有引力,”,有关的两个基本困难。这两个困难非常严重。他的相对论是研究惯性系之间的关系的，也就是说，相对论是建立在惯性系的基础上的。现在,这个,“,基础,”,无法定义！,Page,60,一波三折的诺贝尔奖获奖之路,瑞典，,1981,年，内容为“,1921,年诺贝尔奖得主”,诺贝尔奖百年纪念票（英属维尔京群岛,2001,）,Page,61,探索统一场论的失败,中国澳门，粒子物理学基本模型，统一场论之梦,Page,62,一颗伟大的心,“世纪伟人爱因斯坦”纪念票（蒙古,2000,）,爱因斯坦入美国籍宣誓的情景（马达加斯加,1999,）,Page,63,
展开阅读全文