物理書都充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開端。

－－愛因斯坦（1879—1955）《物理學(xué)的進(jìn)化》比較廣義相對(duì)論時(shí)空觀實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)伽利略變換洛侖茲變換絕對(duì)時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)相對(duì)性原理狹義相對(duì)性原理光速不變?cè)韺?duì)稱性擴(kuò)展廣義相對(duì)性原理等效原理對(duì)稱性擴(kuò)展結(jié)構(gòu)框圖學(xué)時(shí)：狹義相對(duì)論8

廣義相對(duì)論簡介2難點(diǎn)：重點(diǎn)：狹義相對(duì)論的兩條基本原理洛侖茲坐標(biāo)變換狹義相對(duì)論時(shí)空觀（“同時(shí)”的相對(duì)性、鐘慢尺縮）質(zhì)速關(guān)系，質(zhì)能關(guān)系，能量與動(dòng)量關(guān)系狹義相對(duì)論時(shí)空觀廣義相對(duì)論的兩條基本原理時(shí)空的幾何化，空間彎曲前言：相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎(chǔ)經(jīng)典物理：伽利略時(shí)期——19世紀(jì)末經(jīng)過300年發(fā)展，到達(dá)全盛的“黃金時(shí)代”形成三大理論體系1.機(jī)械運(yùn)動(dòng)：以牛頓定律和萬有引力定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)2.電磁運(yùn)動(dòng)：以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的經(jīng)典電磁學(xué)3.熱運(yùn)動(dòng)：以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)的宏觀理論(熱力學(xué))

以分子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的微觀理論(統(tǒng)計(jì)物理學(xué))物理學(xué)家感到自豪而滿足，兩個(gè)事例：

在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。也就是在測量數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面添加幾位有效數(shù)字而已。

——開爾芬（1899年除夕）

理論物理實(shí)際上已經(jīng)完成了，所有的微分方程都已經(jīng)解出，青年人不值得選擇一種將來不會(huì)有任何發(fā)展的事去做。

——約利致普朗克的信三大發(fā)現(xiàn)：1.電子：1894年，英國，湯姆孫

(因氣體導(dǎo)電理論獲1906年諾貝爾物理獎(jiǎng))2.X射線：1895年，德國，倫琴

1901年獲第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)3.放射性：1896年，法國，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾，居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳，共同獲得1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展前景。兩朵烏云：1.邁克爾孫—

莫雷實(shí)驗(yàn)的“零結(jié)果”2.黑體輻射的“紫外災(zāi)難”實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不符相對(duì)論的思想基礎(chǔ)：對(duì)稱性觀念物理規(guī)律不因人（參考系）而異，參考系變換應(yīng)該是物理定律的對(duì)稱操作。一切慣性系對(duì)物理定律等價(jià)——

狹義相對(duì)論慣性系和非慣性系對(duì)物理定律等價(jià)——

廣義相對(duì)論愛因斯坦簡介AlbertEinstein(1879.3.14-1955.4.18)德國猶太人，3歲才會(huì)說話1891年自學(xué)幾何1895年自學(xué)微積分；參加瑞士蘇黎士工業(yè)大學(xué)入學(xué)考試，語言、生物未過，沒考上1896年考入蘇黎士工業(yè)大學(xué)物理系，學(xué)的是師范1900年畢業(yè)，申請(qǐng)?jiān)谀感Ｗ鲋毯椭袑W(xué)教員的要求沒有得到滿足1901年2月21，取得瑞士籍1902年6月，在大學(xué)同學(xué)格羅斯曼父親的幫助下被伯爾尼瑞士專利局臨時(shí)錄用為三級(jí)技術(shù)員1903年與大學(xué)時(shí)代女友結(jié)婚1904年9月轉(zhuǎn)正1905年是他人生大豐收的一年：①3月17日《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一啟發(fā)性觀點(diǎn)》獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)②4月《分子大小的新測定法》，博士論文，獲母校博士學(xué)位③5月《處理懸浮在流體中的粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)》④6月《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》⑤9月《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》E=mc2

核物理和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)⑥12月《關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的理論》年僅26歲的他在不到一年時(shí)間里，在量子論、相對(duì)論、分子運(yùn)動(dòng)論三個(gè)不同領(lǐng)域作了四項(xiàng)劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)。特別是他不在學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)工作，完全靠業(yè)余時(shí)間進(jìn)行研究，得不到任何物理學(xué)家的指導(dǎo)，簡直是人類科學(xué)史上的一個(gè)奇跡。1906年4月晉升為二級(jí)專家1909年秋，辭職任母校理論物理學(xué)副教授1912年教授，把光量子用于光化學(xué)現(xiàn)象，建立了光化學(xué)定律1913年任柏林威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學(xué)教授1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論，把幾何學(xué)與物理學(xué)統(tǒng)一起來1916年發(fā)表一篇總結(jié)量子論發(fā)展的論文，把量子論同統(tǒng)計(jì)原理結(jié)合起來，并提出受激輻射理論，被譽(yù)為“激光之父”1917年，《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)于宇宙學(xué)所作的考察》提出了一個(gè)有限無界的宇宙模型，是現(xiàn)代宇宙學(xué)的開創(chuàng)性文獻(xiàn)1924年，同印度物理學(xué)家玻色合作建立了玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)1933年10月，由于二戰(zhàn)，遷居美國，受聘美國普林斯頓研究所教授。曾任美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問綜觀他的一生，在狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論、量子論、分子運(yùn)動(dòng)論、宇宙學(xué)、統(tǒng)一場論，六個(gè)領(lǐng)域都作出了巨大貢獻(xiàn)，其中四個(gè)領(lǐng)域是開創(chuàng)者，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家。一、伽利略變換K系系K系和K'系坐標(biāo)軸相互平行,當(dāng)O

和O'重合時(shí)，令t=t'=0K'系相對(duì)于K系沿+x

方向以速率

v勻速運(yùn)動(dòng)，§4.1力學(xué)相對(duì)性原理經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀K系

系坐標(biāo)變換：或

坐標(biāo)變換分量式：正變換逆變換速度變換：速度變換分量式：正變換逆變換加速度變換公式

在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中，牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有相同的形式.二.力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)定律在一切慣性系中數(shù)學(xué)形式不變。理解：

體現(xiàn)對(duì)稱性思想——

對(duì)于描述力學(xué)規(guī)律而言，一切慣性系彼此等價(jià)。

在一個(gè)慣性系中所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不能判斷該慣性系相對(duì)于其它慣性系的運(yùn)動(dòng)。伽利略對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象生動(dòng)描述一個(gè)參考系的描述另一參考系的描述變換或操作不同慣性系中的觀察者所觀測到的具體力學(xué)現(xiàn)象可以不同，但所觀測到的力學(xué)規(guī)律相同物理實(shí)在物理實(shí)在的結(jié)構(gòu)經(jīng)典力學(xué)規(guī)律具有伽利略變換不變性，伽利略變換是經(jīng)典力學(xué)的對(duì)稱操作。伽利略變換中已經(jīng)隱含了時(shí)空觀念三、絕對(duì)時(shí)空觀1.時(shí)間：用以表征物質(zhì)存在的持續(xù)性，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化的階段性和順序性。2.空間：用以表征物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的廣延性3.絕對(duì)時(shí)空觀

時(shí)間間隔、空間距離的測量與參考系的選擇無關(guān)。

時(shí)間、空間彼此獨(dú)立，而且與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)無關(guān)。先驗(yàn)框架坐標(biāo)變換：四、伽利略變換的困難1.速度合成率的問題（1）兩位同學(xué)玩排球球投出前結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.

試計(jì)算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達(dá)到觀察者所需要的時(shí)間.(根據(jù)伽利略變換)球投出后宋朝宋仁宗1054年（北宋至和元年）五月一次著名的超新星爆發(fā)，前23天非常亮，白天可見，隨后變暗，直到嘉佑元年（1056年3月）才看不見，歷時(shí)22個(gè)月。這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。物質(zhì)飛散速度l=5000

光年AB當(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí),它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散,即有些拋射物向著地球運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問。（2）超新星爆發(fā)理論計(jì)算觀察到超新性爆發(fā)的強(qiáng)光的時(shí)間持續(xù)約

A

點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時(shí)間B

點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時(shí)間2.伽利略變換不是經(jīng)典電磁定律的對(duì)稱操作

因速度與參考系有關(guān)，所以經(jīng)伽利略變換后洛侖茲力將發(fā)生變化，經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換的不變性。（1）帶電粒子受力：洛侖茲力電場力洛侖茲力：垂直于決定的平面q(2)Maxwellequations按照舊理論，電磁學(xué)只在一個(gè)特殊參考系中成立3.加速器加速粒子達(dá)不到c電子荷質(zhì)比e/m與速度有關(guān)，e與速度無關(guān)，m與v有關(guān)相對(duì)性原理的普遍性（對(duì)稱性）伽利略變換（經(jīng)典力學(xué)）電磁學(xué)定律三者無法協(xié)調(diào)4.解決困難的途徑：方案一：否定相對(duì)性原理的普遍性，承認(rèn)慣性系對(duì)電磁學(xué)定律不等價(jià)，尋找電磁學(xué)定律在其中成立的特殊慣性系。方案二：重新定位伽利略變換，改造經(jīng)典力學(xué)，尋求對(duì)電磁理論和改造后的力學(xué)定律均為對(duì)稱操作的“新變換”。方案一的嘗試：尋求特殊慣性系“以太”（邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)）大海中輪船激起波浪的速度只與洋流的速度有關(guān)，而與輪船的速度無關(guān)類比：也許光在某種“海洋”中傳播，它的速度只取決于“海洋”的性質(zhì)，同光源的速度無關(guān)，“海洋”叫做以太，地球相當(dāng)于輪船假設(shè)：“以太”充滿整個(gè)宇宙，起著光傳播媒介的作用，我們看不見，也不能用其他方式感知它，有極大的剛性，使光速高達(dá)3×108m/s同時(shí)又要求它對(duì)運(yùn)動(dòng)物體不施加任何阻力，相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)成為“絕對(duì)”運(yùn)動(dòng)在以太參考系K系：光沿各個(gè)方向的速率均為c，設(shè)地球相對(duì)以太以v運(yùn)動(dòng)在地球參考系K'系：沿v方向傳播的光速為c-v，逆著v方向的光速為c+v，垂直v方向的光速為但光速很大，即使不同方向的光速是不同的，我們很難測量出來，該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處不在于測量不同方向的光速值，而是測量不同方向的光速之差。在地球上應(yīng)存在“以太”風(fēng)，類似人在雨中跑感覺有風(fēng)

邁克爾孫干涉儀M2M1M2'G2G1單色光源反射鏡1反射鏡2補(bǔ)償玻璃板半透明鍍銀層12以太風(fēng)

邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z測“以太風(fēng)”以太風(fēng)由伽利略變換光對(duì)儀器儀器對(duì)以太光對(duì)以太將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)90度干涉條紋應(yīng)移動(dòng)：反復(fù)實(shí)驗(yàn)，“零結(jié)果”只能選方案二愛因斯坦的選擇來自堅(jiān)定的信念：

自然的設(shè)計(jì)是對(duì)稱的，不僅力學(xué)規(guī)律在所有的慣性系中有相同的數(shù)學(xué)形式，所有的物理規(guī)律都應(yīng)與慣性系的選擇無關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在所有慣性系中，真空中的光速恒為c，伽利略變換以及導(dǎo)致伽利略變換的牛頓絕對(duì)時(shí)空觀有問題，必須尋找新的變換，建立新的時(shí)空觀?！皭垡蛩固拱逊椒ǖ沽诉^來，他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存在的，而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這一點(diǎn)作為假設(shè)提出來，并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式?！?/p>

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洛侖茲（荷蘭.1853－1928）“我尊敬的邁克爾孫博士，您開