相對論的建立相對論的建立1一.兩朵烏云

1900，開爾文勛爵：物理學的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克爾遜實驗有關。一.兩朵烏云1900，開爾文勛爵：2第一朵烏云：黑體輻射量子論第二朵烏云：邁克爾遜實驗相對論19001905第一朵烏云：黑體輻射量子論19001903量子論的誕生量子論的誕生4量子說光子說愛因斯坦解釋光電效應1905量子說光子說19055愛因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國烏爾姆中，小學時代德國慕尼黑1895-1896瑞士阿勞中學一年1896-1900蘇黎士工業(yè)大學學習1900-1902艱辛求職，四面碰壁愛因斯坦生平（Ⅰ）6

愛因斯坦對學校教育持批評態(tài)度，一生中除了在阿勞中學那一年的補習班外，對學校教育沒有好印象。他高度評價阿勞中學的教學：“這個中學用它的自由精神和那些不仗外界權勢的教師的純樸熱情，培養(yǎng)了我的獨立精神和創(chuàng)造精神。正是阿勞中學，成為了孕育相對論的土壤”愛因斯坦對學校教育持批評態(tài)度，一生中除71902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況：1901-------1篇論文1902-------2篇論文1903-------1篇論文1904-------1篇論文1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作8希爾伯特：沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了

空閑、寬容希爾伯特：9愛因斯坦的豐收年（26歲）1905-------5篇3月解釋光電效應——光子說（6月發(fā)表）4月博士論文：測定分子大小的新方法（4月提交）

愛因斯坦的豐收年（26歲）105月解釋布朗運動（7月發(fā)表）6月“論運動物體的電動力學”——狹義相對論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）5月解釋布朗運動（7月發(fā)表）11愛因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914進入大學工作（蘇黎士，布拉格等地）1914-1933柏林大學教授，德國物理研究所所長、院士1915提出廣義相對論（36歲）1933-1955美國普林斯頓大學高級研究所研究員1955年4月18日逝世愛因斯坦生平（Ⅱ）12二.狹義相對論

光波是“以太”的彈性振動。以太相對于地球運動嗎？光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相對于地球有運動。邁克爾遜實驗（1881，1887）：沒有測出這一運動。二.狹義相對論光波是“以太”的彈性振動。13洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：洛倫茲的解釋：14x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換x’=x-vt伽利略變換15洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換16愛因斯坦的新理論相對性原理光速不變原理洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運動都是相對的洛倫茲變換是任意兩個慣性系之間的變換V是相對速度愛因斯坦：愛因斯坦的新理論洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運動都是相對的17洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，給愛因斯坦的理論起了個名字：

相對論洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，18相對論認為“同時”是相對的動尺收縮：空間是相對的動鐘變慢：時間是相對的質(zhì)能關系：相對論認為19相對論發(fā)展史講義課件20

愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅持相對性原理（2）認識到光速是絕對的（3）時間能量

空間動量愛因斯坦的創(chuàng)新之處：21究竟是誰創(chuàng)造了相對論？究竟是誰創(chuàng)造了相對論？22歷史：1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902彭卡萊否認絕對空間，絕對時間（但仍承認有以太）批評相對于絕對空間的動尺收縮假設，認為“相對性原理”適用于電磁理論歷史：231904洛倫茲部分接受彭卡萊批評提出地方時間

（非真實時間）給出洛倫茲變換（1887佛格特，1898拉摩）

電子質(zhì)量公式

1904洛倫茲部分接受彭卡萊批評241904彭卡萊·正確表述“相對性原理”·提到用光信號對鐘，但認為得到的是地方時間，不是真實時間?！ね茰y真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；1904彭卡萊251905愛因斯坦發(fā)表相對論（論運動物體的電動力學）只有他認識到（1）必須徹底拋棄絕對空間（以太）必須徹底拋棄絕對時間（同時的絕對性）（2）“同時”是相對的，可以用光來對鐘，定義“同時”（3）新理論是一個時空理論1905愛因斯坦發(fā)表相對論26楊振寧教授洛倫茲只有近距離眼光，沒有遠距離眼光洛倫茲（只重視解釋實驗與觀測結果）局部修改物理理論，不從哲學角度考慮彭卡萊只有遠距離眼光，沒有近距離眼光彭卡萊只從哲學和教學的角度來考查問題,不從實驗和測量的角度考查愛因斯坦具有自由的眼光，既近距離又遠距離觀察問題既重視實驗和觀測，又注重哲學探討（馬赫著作，“奧林匹亞學院”）洛倫茲是技術型的，彭卡萊是哲學型的，愛因斯坦是物理型的。楊振寧教授27三.彎曲的時空——廣義相對論（1）慣性系無法定義（2）萬有引力定律納不進相對論體系三.彎曲的時空——廣義相對論（1）慣性系無法定義28相對論發(fā)展史講義課件29引力場=慣性場(局域)

等效原理廣義相對性原理廣義相對論引力場=慣性場(局域)廣義相對論30

萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運動是慣性運動（伽利略的錯誤）地球上的自由落體是慣性運動萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)31相對論發(fā)展史講義課件32

時間能量

空間動量

時空曲率物質(zhì)時空曲率物質(zhì)33廣義相對論的三個實驗驗證（1）引力紅移（2）水星進動（3）光線偏折廣義相對論的三個實驗驗證34水星軌道近日點的進動5600.730.41"/百年，（觀測）5557.620.20"/百年，（計算）43.11"/百年的進動無法解釋廣義相對論的回答：43"/百年勒維葉的猜測，火神星（勒維葉與亞當斯發(fā)現(xiàn)海王星）水星軌道近日點的進動5600.730.41"/百35相對論發(fā)展史講義課件36光線偏折廣義相對論：=1.75"牛頓理論：=0.875"實驗觀測：（1915年：愛丁頓

西非普林西比;

巴西，陰雨）=1.980.12"今天：=1.89"光線偏折廣義相對論：=1.75"37相對論發(fā)展史講義課件38引力波廣義相對論預言：有引力波，以光速傳播

J.H.Taylar,R.A.Hulse發(fā)現(xiàn)脈動雙星（PSR1913+16）軌道周期每年減少約萬分之一秒，恰好可用引力輻射來解釋。（由于對脈沖雙星研究的貢獻獲1993年諾貝爾物理獎，但未明確指明發(fā)現(xiàn)引力波。）引力波39相對論發(fā)展史講義課件40愛因斯坦說：

狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，五年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)。廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)！愛因斯坦說：41愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得到正確的場方程：數(shù)學家對愛因斯坦的幫助愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得42四、相對論的進展現(xiàn)代宇宙學黑洞奇性定理時空隧道與時間機器規(guī)范場四、相對論的進展現(xiàn)代宇宙學43現(xiàn)代宇宙學愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型加入宇宙項

（宇宙項）現(xiàn)代宇宙學（宇宙項）44相對論發(fā)展史講義課件45暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)亮星暗物質(zhì)暗能量重子熱暗物質(zhì)(中微子)冷暗物質(zhì)起源于λ動力學暗能量廣義相對論在宇觀尺度失效0.5%4%0.3%29%65%暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)亮星暗物質(zhì)暗能量重子熱暗物質(zhì)(中微子)冷暗46黑洞r(視界）r=0奇點

tr洞外時間空間洞內(nèi)空間時間黑洞r(視界）47相對論發(fā)展史講義課件48相對論發(fā)展史講義課件49信息疑難2004年7月21日,霍金“我輸了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(JohnPreskill)信息疑難霍金索恩普瑞斯基50奇性疑難彭若斯與霍金的奇性定理:時間一定有開始和結束

奇性疑難彭若斯與霍金的奇性定理:51宇宙中的蟲洞時空隧道與時間機器宇宙中的蟲洞時空隧道與時間機器52規(guī)范場：1、愛因斯坦統(tǒng)一場論的思想2、魏爾（H.Weyl）的尺度變換理論－－規(guī)范場3、愛因斯坦的反對意見4、?？伺c倫敦對魏爾理論的修正5、楊振寧對規(guī)范場的貢獻6、引力規(guī)范理論規(guī)范場：53五、愛因斯坦的主要成就1905狹義相對論（受馬赫思想啟發(fā)）光子說1915廣義相對論（受馬赫思想啟發(fā)，得到格羅思曼與希爾伯特的幫助）其他成就：分子運動論，量子統(tǒng)計，激光原理，統(tǒng)一場論，與哥本哈根學派的論戰(zhàn)五、愛因斯坦的主要成就1905狹義相對論（受馬赫思想啟發(fā)54愛因斯坦是人而不是神他曾經(jīng)：不同意膨脹宇宙模型；不同意白矮星存在質(zhì)量上限；不同意有黑洞存在；不同意H.Weyl的規(guī)范場論；始終不同意量子力學的統(tǒng)計解釋……這些不同意見有對有錯，他從正反兩方面推動了物理學的發(fā)展。愛因斯坦是人而不是神55愛因斯坦作出劃時代的成就是在25歲－45歲之間26歲：狹義相對論，光量子論36歲：廣義相對論愛因斯坦作出劃時代的成就是在25歲－45歲之間56相對論的建立相對論的建立57一.兩朵烏云

1900，開爾文勛爵：物理學的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克爾遜實驗有關。一.兩朵烏云1900，開爾文勛爵：58第一朵烏云：黑體輻射量子論第二朵烏云：邁克爾遜實驗相對論19001905第一朵烏云：黑體輻射量子論190019059量子論的誕生量子論的誕生60量子說光子說愛因斯坦解釋光電效應1905量子說光子說190561愛因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國烏爾姆中，小學時代德國慕尼黑1895-1896瑞士阿勞中學一年1896-1900蘇黎士工業(yè)大學學習1900-1902艱辛求職，四面碰壁愛因斯坦生平（Ⅰ）62

愛因斯坦對學校教育持批評態(tài)度，一生中除了在阿勞中學那一年的補習班外，對學校教育沒有好印象。他高度評價阿勞中學的教學：“這個中學用它的自由精神和那些不仗外界權勢的教師的純樸熱情，培養(yǎng)了我的獨立精神和創(chuàng)造精神。正是阿勞中學，成為了孕育相對論的土壤”愛因斯坦對學校教育持批評態(tài)度，一生中除631902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況：1901-------1篇論文1902-------2篇論文1903-------1篇論文1904-------1篇論文1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作64希爾伯特：沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了

空閑、寬容希爾伯特：65愛因斯坦的豐收年（26歲）1905-------5篇3月解釋光電效應——光子說（6月發(fā)表）4月博士論文：測定分子大小的新方法（4月提交）

愛因斯坦的豐收年（26歲）665月解釋布朗運動（7月發(fā)表）6月“論運動物體的電動力學”——狹義相對論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）5月解釋布朗運動（7月發(fā)表）67愛因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914進入大學工作（蘇黎士，布拉格等地）1914-1933柏林大學教授，德國物理研究所所長、院士1915提出廣義相對論（36歲）1933-1955美國普林斯頓大學高級研究所研究員1955年4月18日逝世愛因斯坦生平（Ⅱ）68二.狹義相對論

光波是“以太”的彈性振動。以太相對于地球運動嗎？光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相對于地球有運動。邁克爾遜實驗（1881，1887）：沒有測出這一運動。二.狹義相對論光波是“以太”的彈性振動。69洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：洛倫茲的解釋：70x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換x’=x-vt伽利略變換71洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換72愛因斯坦的新理論相對性原理光速不變原理洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運動都是相對的洛倫茲變換是任意兩個慣性系之間的變換V是相對速度愛因斯坦：愛因斯坦的新理論洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運動都是相對的73洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，給愛因斯坦的理論起了個名字：

相對論洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，74相對論認為“同時”是相對的動尺收縮：空間是相對的動鐘變慢：時間是相對的質(zhì)能關系：相對論認為75相對論發(fā)展史講義課件76

愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅持相對性原理（2）認識到光速是絕對的（3）時間能量

空間動量愛因斯坦的創(chuàng)新之處：77究竟是誰創(chuàng)造了相對論？究竟是誰創(chuàng)造了相對論？78歷史：1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902彭卡萊否認絕對空間，絕對時間（但仍承認有以太）批評相對于絕對空間的動尺收縮假設，認為“相對性原理”適用于電磁理論歷史：791904洛倫茲部分接受彭卡萊批評提出地方時間

（非真實時間）給出洛倫茲變換（1887佛格特，1898拉摩）

電子質(zhì)量公式

1904洛倫茲部分接受彭卡萊批評801904彭卡萊·正確表述“相對性原理”·提到用光信號對鐘，但認為得到的是地方時間，不是真實時間。·推測真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；1904彭卡萊811905愛因斯坦發(fā)表相對論（論運動物體的電動力學）只有他認識到（1）必須徹底拋棄絕對空間（以太）必須徹底拋棄絕對時間（同時的絕對性）（2）“同時”是相對的，可以用光來對鐘，定義“同時”（3）新理論是一個時空理論1905愛因斯坦發(fā)表相對論82楊振寧教授洛倫茲只有近距離眼光，沒有遠距離眼光洛倫茲（只重視解釋實驗與觀測結果）局部修改物理理論，不從哲學角度考慮彭卡萊只有遠距離眼光，沒有近距離眼光彭卡萊只從哲學和教學的角度來考查問題,不從實驗和測量的角度考查愛因斯坦具有自由的眼光，既近距離又遠距離觀察問題既重視實驗和觀測，又注重哲學探討（馬赫著作，“奧林匹亞學院”）洛倫茲是技術型的，彭卡萊是哲學型的，愛因斯坦是物理型的。楊振寧教授83三.彎曲的時空——廣義相對論（1）慣性系無法定義（2）萬有引力定律納不進相對論體系三.彎曲的時空——廣義相對論（1）慣性系無法定義84相對論發(fā)展史講義課件85引力場=慣性場(局域)

等效原理廣義相對性原理廣義相對論引力場=慣性場(局域)廣義相對論86

萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運動是慣性運動（伽利略的錯誤）地球上的自由落體是慣性運動萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)87相對論發(fā)展史講義課件88

時間能量

空間動量

時空曲率物質(zhì)時空曲率物質(zhì)89廣義相對論的三個實驗驗證（1）引力紅移（2）水星進動（3）光線偏折廣義相對論的三個實驗驗證90水星軌道近日點的進動5600.730.41"/百年，（觀測）5557.620.20"/百年，（計算）43.11"/百年的進動無法解釋廣義相對論的回答：43"/百年勒維葉的猜測，火神星（勒維葉與亞當斯發(fā)現(xiàn)海王星）水星軌道近日點的進動5600.730.41"/百91相對論發(fā)展史講義課件92光線偏折廣義相對論：=1.75"牛頓理論：=0.875"實驗觀測：（1915年：愛丁頓

西非普林西比;

巴西，陰雨）=1.980.12"今天：=1.89"光線偏折廣義相對論：=1.75"93相對論發(fā)展史講義課件94引力波廣義相對論預言：有引力波，以光速傳播

J.H.Taylar,R.A.Hulse發(fā)現(xiàn)脈動雙星（PSR1913+16）軌道周期每年減少約萬分之一秒，恰好可用引力輻射來解釋。（由于對脈沖雙星研究的貢獻獲1993年諾貝爾物理獎，但未明確指明發(fā)現(xiàn)引力波。）引力波95相對論發(fā)展史講義課件96愛因斯坦說：

狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，五年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)。廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)！愛因斯坦說：97愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得到正確的場方程：數(shù)學家對愛因斯坦的幫助愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得98四、相對論的進展現(xiàn)代宇宙學黑洞奇性定理時空隧道與時間機器規(guī)范場四、相對論的進展現(xiàn)代宇宙學99現(xiàn)代宇宙學愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型加入宇宙項