相对论发展史

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,相对论的建立,1,一. 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,。,2,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,1900,1905,3,量子论的诞生,4,量子说 光子说,爱因斯坦解释光电效应,1905,5,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,6,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”,7,1902-1909 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,8,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,9,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）,10,5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）,11,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,12,二.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。,13,洛伦兹的解释：,以太相对于绝对空间静止。,洛伦兹收缩：,14,x=x-vt,y=y,z=z,t=t,伽利略变换,15,洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换,16,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：,17,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,18,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：,19,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,20,究竟是谁创造了相对论？,21,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,22,1904 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,23,1904 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；,24,1905 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,25,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。,26,三.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,27,28,引力场=惯性场,(局域),等效原理,广义相对性原理,广义相对论,29,万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,30,31,时间 能量,空间 动量,时空曲率,物质,32,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,33,水星轨道近日点的进动,5600.73 0.41,/百年，（观测）,5557.62 0.20,/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）,34,35,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）,=1.98 0.12,今天： =1.89,36,37,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。）,38,39,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！,40,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,41,四、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,42,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）,43,44,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%,45,黑洞,r,(视界）,r=0奇点,t r,洞外 时间 空间,洞内 空间 时间,46,47,48,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,(,John Preskill ),49,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,50,宇宙中的虫洞,时空隧道与时间机器,51,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,52,五、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,53,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, ,这些不同意见有对有错，他从正反两方面推动了物理学的发展。,54,爱因斯坦作出划时代的成就是在,25岁45岁,之间,26岁,：狭义相对论，光量子论,36岁,：广义相对论,55,