爱因斯坦与物理学的革命(赵峥教授)

一.两朵乌云二.狭义相对论三.弯曲的时空——广义相对论四.膨胀的宇宙五.黑洞一.两朵乌云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。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19001905量子论的诞生量子论光子论爱因斯坦解释光电效应1905爱因斯坦生平（Ⅰ）1897.3.14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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篇论文爱因斯坦的丰收年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月发表）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）2mcE爱因斯坦生平（Ⅱ）•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•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”希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了二.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。洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：220/1cvll222'''22'/1/)/(/1/)(cvcvxttzzyycvvtxx洛伦兹变换：相对绝对空间的变换爱因斯坦的新理论相对论原理光速不变原理洛伦兹变换爱因斯坦：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：相对论相对论认为动尺收缩：空间是相对的动钟变慢：时间是相对的质能关系：2mCE22/1/cvdtdT220/1/cvll双生子佯谬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引力场=惯性场等效原理广义相对性原理广义相对论Igmm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时间能量空间动量kTRgR21时空曲率物质广义相对论的三个实验验证（1）引力红移（2）水星进动（3）光线偏折水星轨道近日点的进动5600.730.41/百年，（观测）5557.620.20/百年，（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）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）=1.980.12今天：=1.89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。）四.膨胀的宇宙爱因斯坦认为：广义相对论不该应用于原子现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。（强作用）1电磁作用（弱作用）万有引力电磁作用比引力作用强约倍。141039103710210宇宙的结构太阳系：1光年星系：光年（10万光年）星系团：光年观测表明：在比光年更大的尺度，宇宙是均匀各向同性的。宇宙学原理：在宇观尺度上，物质的分布始终是均匀各向同性的510710810爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型加入宇宙项kTgRgRkTRgR2121（宇宙项）弗利德曼膨胀或脉动的宇宙（1922年）勒梅特神父“宇宙蛋”（1927年）哈勃定律V=HD(1929年)伽莫夫αβγ火球模型(大爆炸模型)(1948年)对膨胀宇宙的支持星系红移(哈勃定律)氦丰度3K微波背景辐射(1964年,彭齐亚斯,威尔逊)宇宙的未来:无限无边的膨胀宇宙(K≤0)有限无边的脉动宇宙(K＞0)未来研究如何:临界密度个氢原子/米3c3ccc000kkk膨胀膨胀脉动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λ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%五.黑洞1800年前后米歇尔,拉普拉斯用牛顿力学预言了黑洞1939年奥本海默预言黑洞爱因斯坦反对22cGMr恒量演化主序星→红巨星→白矮星ρ~1吨/中子星ρ~10亿吨/黑洞ρ~100亿吨/钱德拉塞卡极限1.4奥本海默极限2~3超新星爆发3cm3cm3cmMMr22cGMr(视界）r=0奇点tr洞外时间空间洞内空间时间信息疑难2004年7月21日,霍金“我输了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(JohnPreskill)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爱因斯坦领导了20世纪的科学革命,奠定了现代物理学的基础.对中学物理教学的几点思考•关于基础知识和基本技能•关于探究•天才学生的成长环境•中国与欧美教育的比较杨振宁教授的功绩和教育思想杨振宁的主要贡献：规范场：（1953年31岁）宇称不守恒（1956年34岁）杨－巴克斯特方程（1967年45岁）李政道（31岁）、杨振宁（35岁）获诺贝尔奖（1957年）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