1、粒子、宇宙與時(shí)空,星際工程組整理 愛(ài)因斯坦1905年對(duì)量子理論和相對(duì)論,主要內(nèi)容 愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介 愛(ài)因斯坦的主要科學(xué)成就簡(jiǎn)介 狹義相對(duì)論與相對(duì)時(shí)空觀 廣義相對(duì)論與現(xiàn)代宇宙論 愛(ài)因斯坦的研究成就對(duì)當(dāng)代物理學(xué)的深遠(yuǎn)影響 (1)相對(duì)論時(shí)空觀與對(duì)稱性 (2) 基本相互作用與廣義協(xié)變性 （3）微觀物理與宇宙物理的統(tǒng)一統(tǒng)一場(chǎng)論 （4）宇宙常數(shù)與暗物質(zhì)和暗能量,愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介(1879年3月14日1955年4月18日),1879年3月14日生于德國(guó)烏耳姆一個(gè)經(jīng)營(yíng)電器作坊的小業(yè)主家庭。一年后，隨全家遷居慕尼黑。父親和叔父在那里合辦一個(gè)為電站和照明系統(tǒng)生產(chǎn)電機(jī)、弧光燈和電工儀表的電器工廠。在任工程師的叔父等人的影響

2、下，愛(ài)因斯坦較早地受到科學(xué)和哲學(xué)的啟蒙。,1894年，他的家遷到意大利米蘭，繼續(xù)在慕 尼黑上中學(xué)的愛(ài)因斯坦因厭惡德國(guó)學(xué)校窒息 自由思想的軍國(guó)主義教育，主動(dòng)放棄學(xué)籍和 德國(guó)國(guó)籍，只身去米蘭。 1895年他轉(zhuǎn)學(xué)到瑞士阿勞市的州立中學(xué)； 1896年進(jìn)蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系學(xué)習(xí)物理學(xué)，1900年畢業(yè)。 大學(xué)畢業(yè)就失業(yè)，臨時(shí)教書維持生活。 1901年取得瑞士國(guó)籍。1902年被伯爾尼瑞士專利局錄用為技術(shù)員，從事發(fā)明專利申請(qǐng)的技術(shù)鑒定工作。他利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)展科學(xué)研究。 1905年在物理學(xué)三個(gè)不同領(lǐng)域中取得了歷史 性成就，特別是狹義相對(duì)論的建立和光量子 論的提出，推動(dòng)了物理學(xué)理論的革命。同年， 以論文分子大

3、小的新測(cè)定法取得蘇黎世 大學(xué)的博士學(xué)位。,1908年兼任伯爾尼大學(xué)編外講師。 1909年任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授。 1911年任布拉格德語(yǔ)大學(xué)理論物理學(xué)教 授，1912年任蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)教授。 1914年，應(yīng)M.普朗克和W.能斯脫的邀請(qǐng)，回德國(guó)任威廉皇家物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授，直至1933年。1915年建成了廣義相對(duì)論。他預(yù)言光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)引力場(chǎng)要彎曲，于1919年由英國(guó)天文學(xué)家A.S.愛(ài)丁頓等人的日全食觀測(cè)結(jié)果所證實(shí)。 1922年11月13日上午10時(shí)愛(ài)因斯坦乘日本船“北野丸”于到達(dá)上海，在上海“一品香”餐廳設(shè)宴招待愛(ài)因斯坦夫婦。下午6時(shí)，中國(guó)文化教育界在畫家、書法家王震(字一亭

4、，18661938)家里設(shè)宴招待愛(ài)因斯坦夫婦。1922年11月才正式?jīng)Q定授于他1921年度的物理學(xué)獎(jiǎng)(同時(shí)還決定把1922年度物理獎(jiǎng)授予玻爾)。瑞典駐上海總領(lǐng)事正式通知了愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦夫婦都表示極為高興（戴念祖,物理，2995.4.20）。,1933年1月納粹攫取德國(guó)政權(quán)后，愛(ài)因斯坦是 科學(xué)界首要的迫害對(duì)象，幸而當(dāng)時(shí)他在美國(guó)講 學(xué)，未遭毒手。3月他回歐洲后避居比利時(shí)， 9月9日發(fā)現(xiàn)有準(zhǔn)備行刺他的蓋世太保跟蹤，星 夜渡海到英國(guó)，10月轉(zhuǎn)到美國(guó)普林斯頓，任新 建的高等研究院教授，直至1945年退休。 1940年他取得美國(guó)國(guó)籍。 1939年他獲悉鈾核裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)現(xiàn)， 在匈牙利物理學(xué)家L.

5、西拉德推動(dòng)下，上書羅 斯?？偨y(tǒng)，建議研制原子彈，二戰(zhàn)結(jié)束后， 開(kāi)展了反對(duì)核戰(zhàn)爭(zhēng)的和平社會(huì)活動(dòng)。 1955年4月18日因主動(dòng)脈瘤破裂逝世于普林斯 頓。遵照他的遺囑，不舉行任何喪禮，不筑墳 墓，不立紀(jì)念碑，骨灰撒在永遠(yuǎn)對(duì)人保密的地 方，為的是不使任何地方成為圣地。,科研之外,少年時(shí)期對(duì)事物充滿驚奇,14到16歲自學(xué)了微積分,但語(yǔ)言能力不強(qiáng)。 對(duì)大自然的崇高偉大充滿敬仰之心 。信仰上帝，發(fā)現(xiàn)佛教最好。為自然、宇宙之玄妙著迷。 喜歡音樂(lè)和數(shù)學(xué)，鋼琴和提琴。 謙虛、純樸、善良和幽默 ，無(wú)名人架子。 喜歡冰淇淋,小事心不在焉,大事十分清楚。,早在1901年，二十二歲的青年愛(ài)因斯坦已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成功的公式: A

6、=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少說(shuō)廢話！ 博覽群書。在愛(ài)因斯坦的書架上發(fā)現(xiàn)有老子的“道德經(jīng)”。 獨(dú)立思考，喜歡安靜。 強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任。他說(shuō)：“人只有獻(xiàn)身于社會(huì)，才能找出那實(shí)際上是短暫而有風(fēng)險(xiǎn)的生命的意義?！?“一個(gè)人的真正價(jià)值首先取決于他在什么程度上和在什么意義上從自我解放出來(lái)?！?不明白的事情：自由”及“共產(chǎn)” , “東方”和“西方”的真正精確意義 , 因?yàn)榈厍蚴菆A的! (愛(ài)因斯坦傳),愛(ài)因斯坦的主要科學(xué)成就簡(jiǎn)介,1、光量子論* 2、分子運(yùn)動(dòng)理論* 3、創(chuàng)立狹義相對(duì)論* 4、質(zhì)能公式* 5、廣義相對(duì)論* 6、受激輻射的量子理論* 7、玻色愛(ài)因斯坦量子凝聚理論*

7、 8、統(tǒng)一場(chǎng)論的漫長(zhǎng)而艱難的探索,1、光量子論(1905.3),1900年，普郎克 電磁輻射最小單位 1905年，愛(ài)因斯坦 明確光量子粒子性 1913年，玻爾 氫原子光譜的正確解釋 192426年 量子力學(xué)建立,Light quantum (光量子) (Annalen der Physick 17, 132) 光量子 愛(ài)氏方程 成功解釋光電效應(yīng)，1916年密立根：不同光頻和不同材料，測(cè)出普朗克常數(shù)h值。,2、分子運(yùn)動(dòng)理論(1905.5,12),Brownian motion(布朗運(yùn)動(dòng))(Annalen der Physick 17, 549) 他用力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究懸浮粒子在流體中的

8、運(yùn)動(dòng)，在理論上說(shuō)明了布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，并從懸浮粒子位移的平均值推算出單位體積中流體的分子數(shù)目。 1908年被法國(guó)物理學(xué)家J.-B.佩蘭的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 意義 ：流體是由大量微粒分子，組成，證明分子、原子的微粒是存在的，并且不斷的在運(yùn)動(dòng), 是這些微粒組成了宏觀物質(zhì)。 證實(shí)了神在兩千年前看到微觀世界的事情！ 一個(gè)針尖上有幾個(gè)天使 一粒砂子里有三千大千世界 釋迦牟尼佛,3、創(chuàng)立狹義相對(duì)論(1905.6),Special theory of relativity(狹義相對(duì)論)(Annalen der Physick 17, 891) 提出狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理: 1、 光速不變?cè)恚?空間和時(shí)間完全

9、對(duì)稱, 相關(guān) 4維閔可夫斯基空間對(duì)稱群洛淪茲群 2、 狹義相對(duì)性原理：慣性參照系的完全等價(jià) 物理量的協(xié)變性物理量(張量) 滿足協(xié)(逆)變變煥 改變了人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)。 牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀: 空間與時(shí)間獨(dú)立, 任何參照系時(shí)間尺度一樣。 相對(duì)論時(shí)空觀: 空間與時(shí)間對(duì)稱、關(guān)聯(lián)，不同參照系時(shí)空尺度不一樣 是當(dāng)代量子場(chǎng)論（基本粒子與基本相互作用）的兩個(gè)基石之一。,4、質(zhì)能公式（1905.9）,物體的慣性同它所合的能量有關(guān)嗎?(Annalen der Physick 17, ) 發(fā)現(xiàn)質(zhì)能公式: 在同一參照系 : E = M C 2 , C=光速、M=質(zhì)量 E 2 = P2 C2 +M20 C 4, P=動(dòng)量

10、 在禁止參照系: E0 = M0 C 2 , M0=靜止質(zhì)量 解釋了放射性元素放出大量能量的原因。 揭示了越微觀，放出能量越大的秘密，能量是人類研究物質(zhì)不同結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本指標(biāo), 所以, 用常規(guī)手段不能激發(fā)原子能, 原子核能以及原子核以下的能量。 量子理論建立的基礎(chǔ)。,5、廣義相對(duì)論（1916）,1907年，提出等效原理; 1911年6月，關(guān)于引力對(duì)光傳播的影響; 1913年，廣義相對(duì)論和引力理論綱要; 1916年，完整的論文發(fā)表在 Annalen der Physick 49（1916）469。 廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)兩個(gè)基本原理: 1、等效原理： 慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辯。 慣性

11、質(zhì)量引力質(zhì)量 在引力場(chǎng)中，局域點(diǎn)可以引入慣性參照系。 2、廣義相對(duì)性原理：所有參照系等價(jià)任何參照系中物理規(guī)律形式相同。 廣義協(xié)變性物理量（張量）作協(xié)變變煥，對(duì)稱性。 協(xié)變微商聯(lián)絡(luò)引入引力場(chǎng)相互作用。 引力場(chǎng)使4維時(shí)空彎曲引力場(chǎng)可用時(shí)空彎曲的程度描述，引力場(chǎng)中的粒子 走短程線。預(yù)言引力波存在，1976年發(fā)現(xiàn)，93年獲獎(jiǎng)。 意義：發(fā)現(xiàn)了引力物質(zhì)與時(shí)空結(jié)構(gòu)的關(guān)系和其幾何是黎曼幾何！ 改變了引力是力的觀念，是研究天體、宇宙和引力的基本理論。,6、受激輻射的量子理論（1916）,發(fā)現(xiàn)了原子發(fā)光的微觀機(jī)制。 重新給出普郎克黑體輻射公式，清楚給出了光量子概念。 建立了激光的理論基礎(chǔ)。 為輻射量子論作出了突破

12、性的貢獻(xiàn)。,Physikalishe Zeitschrift, 18(1917)121 發(fā)現(xiàn)了原子的光發(fā)射機(jī)制： 對(duì)原子基態(tài)為E1，激發(fā)態(tài)為E2 存在三種情況： 自發(fā)發(fā)射：E2E1hv 受激發(fā)射：E2E1hv 受外界 hv= E2E1 干擾 受激吸收：hv=E2E1 吸收外界 hv, 原子E1 到 E2 吸收原子數(shù)自發(fā)原子數(shù) 受激原子數(shù),7、玻色愛(ài)因斯坦量子凝聚理論（1925）,1925年，玻色（1924與愛(ài)因斯坦預(yù)言玻色量子 多體系統(tǒng)中粒子會(huì)發(fā)生凝聚現(xiàn)象。 1995年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局和Colorado大學(xué)聯(lián) 合實(shí)驗(yàn)室(JILA)、Rice大學(xué)和MIT三個(gè)研究小組相 繼實(shí)現(xiàn)了堿金屬原子氣體

13、的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。 開(kāi)辟了認(rèn)識(shí)原子，量子論和多體系統(tǒng)性質(zhì)的新途 徑，成為原子激光的理論基礎(chǔ)。,8、統(tǒng)一場(chǎng)論的漫長(zhǎng)而艱難的探索19291955,動(dòng)機(jī)：將引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)統(tǒng)一 尋求一個(gè)幾何將其引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)納入同一個(gè)框架內(nèi) 從1927年，或者更肯定一點(diǎn)，從1933年他移居普林斯頓之后，建立統(tǒng)一場(chǎng)論就成為他的最終學(xué)術(shù)目標(biāo)。 1979年，愛(ài)因斯坦誕生100周年的紀(jì)念會(huì)上，楊振寧說(shuō)：“或許有人可以將愛(ài)因斯坦晚年的追求稱之為癡迷；但是，它是一種美麗的癡迷，正是這種癡迷使現(xiàn)代物理學(xué)找到了方向”?！敖袢栈A(chǔ)物理學(xué)中最重要的問(wèn)題依然是對(duì)統(tǒng)一場(chǎng)論的探索”。 楊振寧談到二十一世紀(jì)理論時(shí)，說(shuō) “第一是他對(duì)統(tǒng)一場(chǎng)論的

14、持之以恒；第二就是他所強(qiáng)調(diào)的統(tǒng)一場(chǎng)論中的兩個(gè)必不可少的概念，即：一、對(duì)稱性，它是推動(dòng)統(tǒng)一場(chǎng)論的一個(gè)重要元素，或者說(shuō)21世紀(jì)理論物理學(xué)中的一個(gè)主旋律；二、統(tǒng)一場(chǎng)論必然基于一種幾何學(xué)的概念。這兩個(gè)觀點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)被大家廣為認(rèn)同?！?狹義相對(duì)論與相對(duì)時(shí)空觀,間隔說(shuō)明時(shí)間與空間對(duì)稱。 洛倫茲變煥說(shuō)明時(shí)間與空間通過(guò)因子u/c 關(guān)聯(lián)。 間隔不隨參照系變煥而改變， 時(shí)空是四維，事件對(duì)應(yīng)四維時(shí)空中一個(gè)點(diǎn)世界點(diǎn)，時(shí)空的三個(gè)區(qū)域光錐的面、內(nèi)、外區(qū)域中的事件各自相關(guān)，區(qū)域之間無(wú)關(guān)聯(lián)。 洛倫茲變煥的全體是洛倫茲群體，是四維時(shí)空中的所有轉(zhuǎn)動(dòng)是現(xiàn)代場(chǎng)論的基石。,間隔 洛倫茲變煥 四維時(shí)空分為三個(gè)區(qū)域 1、ds2=0, 事件在

15、光錐面 2、ds20, 事件在光錐內(nèi) 3、ds20, 事件在光錐外,狹義相對(duì)論效應(yīng),速度相加 不是簡(jiǎn)單的加減 長(zhǎng)度收縮 時(shí)間延緩 觀測(cè)、等粒子的 飛行時(shí)間和飛行距離中證實(shí)。,多普勒效應(yīng) 相對(duì)質(zhì)量 光子靜止質(zhì)量 要求光子質(zhì)量0 實(shí)驗(yàn)給出上限10-52 克,問(wèn)題與突破,光速真的是不變的碼？ 超光速的實(shí)驗(yàn)探索 一直未停過(guò)！ 目前的研究結(jié)果顯示： 在目前的靜態(tài)宏觀中光速不變?cè)韺?duì)，在微觀和宇宙其他天體中有可能光速是變的？ 突破：在宇宙和微觀中，時(shí)空結(jié)構(gòu)研究中。,廣義相對(duì)論與現(xiàn)代宇宙論,廣義相對(duì)論的理論框架 1、 線元 2、 協(xié)變微商，引力和相互作用 3、 粒子短程線方程 4、 引力場(chǎng)方程 時(shí)空發(fā)生彎曲

16、黎曼幾何學(xué)引力和引力作用由聯(lián)絡(luò)描述！ 長(zhǎng)度收縮、時(shí)間延緩、粒子走短程線,廣義相對(duì)論效應(yīng)與驗(yàn)證,引力方程的球?qū)ΨQ解給出四個(gè)新效應(yīng)： 1、行星軌道近動(dòng) 1921年實(shí)驗(yàn)證實(shí) 2、光線在引力場(chǎng)論中偏轉(zhuǎn) 1975實(shí)驗(yàn)證實(shí) 3、雷達(dá)回波遲延 70年代 實(shí)驗(yàn)證實(shí) 4、引力紅移 70年代實(shí)驗(yàn)證實(shí) 這些效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在航天運(yùn)行中, 其數(shù)據(jù)庫(kù)絕密 引力輻射與引力玻 1976年觀測(cè)脈沖星PSR191316輻射引力軌道進(jìn)動(dòng)證實(shí)，1993年 Hulse與Taylor 獲獎(jiǎng),現(xiàn)代宇宙論,在字觀尺度上，任何時(shí)刻三維宇宙空間是均勻 的和各向同性的這就是宇宙學(xué)原理。宇宙觀測(cè)范圍1026cm 愛(ài)因斯坦宇宙因素改寫的引力方程 Ro

17、bertson-Walker 度規(guī) (球體) 宇宙演化方程,引力場(chǎng)的量子化問(wèn)題,由于引力引起時(shí)空彎曲，引力量子化歸 結(jié)為時(shí)空量子化：時(shí)空量子化指標(biāo)： Planck length: lp=(Gh/2C3)1/2=1.610-33cm Planck time: tp=lp/C=5.4 10-44s Planck mass: mp=2.2 10 5g Planck energy: Ep=1.3 10 19 GeV Mass density: p=5.2 10 93 gcm-3 引力量子方案仍沒(méi)有完全得到！,愛(ài)因斯坦的研究成就對(duì) 當(dāng)代物理學(xué)的深遠(yuǎn)影響,(1)相對(duì)論時(shí)空觀與對(duì)稱性 (2) 基本相互作用與

18、廣義協(xié)變性 （3）微觀物理與宇宙物理的統(tǒng)一 統(tǒng)一場(chǎng)論 （4）宇宙常數(shù)與暗物質(zhì)和暗能量,(1)相對(duì)論時(shí)空觀與對(duì)稱性,四維相對(duì)論時(shí)空對(duì)稱： 引出轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性 洛倫茲群 角動(dòng)量守恒 引出平移對(duì)稱性 平移變煥群 能量、動(dòng)量守恒 四維彎曲時(shí)空對(duì)稱： 彎曲時(shí)空對(duì)稱群GL（4）群 或 SO（4）群 引力作用 四維時(shí)空之中的內(nèi)部對(duì)稱： 電磁相互作用 U（1）群，整體荷守恒，局域電磁作用 弱電統(tǒng)一理論 SU（2） U（1）群，弱電作用 強(qiáng)相互作用 SU（3）群，強(qiáng)相互作用 弱電強(qiáng)統(tǒng)一理論 SU（5群 高維時(shí)空結(jié)構(gòu)超對(duì)稱理論（42）超弦理論（12,16,26等）,(2) 基本相互作用與廣義協(xié)變性,廣義性原理 協(xié)變微

19、商 引力 愛(ài)因斯坦 1915 電磁 威爾 19211929 弱作用 楊振寧 1954 弱電統(tǒng)一 60年代末 強(qiáng)作用 70年代 基本相互作用的理論是規(guī)范場(chǎng)理論， 是纖維叢幾何結(jié)構(gòu)。,（3）微觀物理與宇宙物理的統(tǒng)一 統(tǒng)一場(chǎng),1027cm 102 10 13-17 10-33 ？ 宇宙學(xué) 經(jīng)典理論 量子理論 ？ 愛(ài)因斯坦？ 愛(ài)因斯坦 新的突破 ？ 宏觀物理、微觀物理向宇宙物理推廣 新的革命 建立弱電強(qiáng)與引力的統(tǒng)一場(chǎng)論,（4）宇宙常數(shù)與暗物質(zhì)和暗能量,2003年科學(xué)最大突破： 照亮黑暗的宇宙 暗能量的存在 暗能量占：73 暗物質(zhì)占：23 重子僅占 ：4！ 宇宙在加速膨脹,威爾金森微波各向異性探測(cè)器(WMAP)觀測(cè)結(jié)果, NASA,宇宙成份,宇宙在加速膨脹,宇宙加速膨脹過(guò)程,1,2,3,4,5,暗能量的效應(yīng),什么是暗能量？ 地球、太陽(yáng)和所有我們看得見(jiàn)的星云都是由電子、質(zhì)子、中子構(gòu)成的，其中有一些極少數(shù)的反物質(zhì)：正電子、反質(zhì)子可是，像我們知道的這類物質(zhì)在我們宇宙中僅僅占了不到百分之五。大多數(shù)我們宇宙中的能量是暗物質(zhì)和暗能量?？床灰?jiàn)，