第1讲爱因斯坦和相对论与量子论的建立.

从爱因斯坦到霍金的宇宙赵峥北京师范大学物理系2011年10月2013年3月修改第一讲爱因斯坦和量子论与相对论的诞生一、物理学的开端二、爱因斯坦的丰收年三、相对论的建立四、狭义相对论物理学（Physics）这个词起源于亚历士多德公元前300多年，古希腊苏格拉底柏拉图亚历士多德一、物理学的开端原天地之美，而达万物之理。——庄子（与诸生歌于天泉桥）其一万里中秋月正晴，四山云霭忽然生。须臾浊雾随风散，依旧青天此月明。肯信良知原不昧，从他外物岂能撄。老夫今夜狂歌发，化作钧天满太清。王阳明《月夜二首》其二处处中秋此月明，不知何处亦群英。须怜绝学经千载，莫负男儿过一生。影响尚疑朱仲晦，支离羞作郑康成。铿然舍瑟春风里，点也虽狂得我情。注：霭（ǎi）昧（mèi）撄（yīng）关于探究式学习*西方的洋学堂*中国的书院物含妙理总堪寻乾隆题颐和园宝云阁（境自远尘皆入咏）阿基米德（亚历山大科学院，前287-前212年）浮力定律杠杆原理“给我支点，我可以撬动地球！”重心的概念1564年米开朗基罗逝世莎士比亚、伽利略出生“物理学”真正开始于伽利略他使物理学成为一门“实验的科学”、“测量的科学”（彭加勒：凡是不能测量的东西都不能算是自然科学）伽利略惯性定律相对性原理自由落体定律惯性定律虚空中运动的原子，由于没有阻力，将一直等速运动下去（公元前400年左右，德谟克利特等古希腊哲学家）亚里士多德：力是维持物体运动的原因伽利略斜面实验：维持运动不需要力重申了惯性定律伽利略的斜面实验相对性原理地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。汉《尚书纬•考灵曜》伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）《两门新科学》（1638年）自由落体定律比萨斜塔上的自由落体实验伽利略的斜面实验斜面运动是“减缓了的”或“冲淡了的”自由落体运动。斜面实验惯性定律自由落体定律熟能生巧，举一反三1642年（对物理学重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣诞节之夜牛顿出生（儒略历1642.12.25格利高里历1643.1.4）（1644年李自成进京，清军入关）天主教国家（拉丁语系：意、法、西、葡、拉美）先用新历基督教国家（日耳曼语系：英、德、荷、美）后用新历东正教国家（斯拉夫语系：俄、白、乌）十月革命后才用新历牛顿集经典力学之大成《自然哲学的数学原理》（45岁）《光学》（65岁）牛顿的物理体系绝对时间绝对空间惯性系相对性原理力学三定律万有引力定律自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中上帝说，让牛顿去吧，于是一切成为光明。——波普光学牛顿的微粒说战胜惠更斯的波动说（波动说：笛卡尔、胡克、惠更斯）1801年，托马斯·杨的干涉实验波动说战胜微粒说英国人托马斯﹒杨（ThomasYoung）是历史上有名的神童、才子，2岁就能读书，4岁时将《圣经》通读了2遍，他14岁时已通晓拉丁、希腊、法、意、希伯来、波斯和阿拉伯等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等领域都有贡献。托马斯﹒杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。此后他又破译了埃及的拉希德石碑上的一些文字，对考古学做出了重大贡献。法国人商博良（另一位神童）在此基础上进一步努力，终于完全破译了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的历史学基础。波动光学光既是波动就应有载体亚历士多德月上世界月下世界波动光学光是以太的弹性振动电磁学光波是电磁波麦克斯韦从介质的弹性振动导出了电磁学的基本方程组热学热力学第一定律（能量守恒）。迈尔，焦耳，亥姆霍兹热力学第二定律（卡诺定理）。卡诺，克劳修斯卡诺从热质说“导出”了卡诺定理热力学第三定律。能斯特热力学第零定律二、爱因斯坦的丰收年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。黑体辐射迈克耳孙实验量子论（1900年）相对论（1905年）黑体辐射维恩位移定律：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）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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（“奥林匹亚科学院”）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月提交）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）2Emc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美国普林斯顿高级研究所研究员1955年4月18日逝世两次婚姻米列娃对爱因斯坦的帮助讨论、通信、署名希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了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”（在阿劳中学16岁的爱因斯坦曾经思考“追光悖论”）三、相对论的建立光波是“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。迈克耳孙实验（1881，1887）：没有测出这一运动。1.光行差现象2.迈克耳孙实验)(22222cvclvclvclvcltoooocvc+vc-vv以太运动方向迈克耳孙没有观测到以太漂移矛盾第二朵乌云：麦克耳孙实验光行差现象光行差：以太相对地球运动，有漂移，似乎运动介质（地球）不带动以太迈克耳孙实验：以太相对地球静止，无漂移，似乎运动介质（地球）带动了以太洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：220/1cvll0222vclvclvcltox’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）3.伽利略变换（任意两个惯性系间的相对变换）麦克斯韦理论在伽利略变换下会变化从伽利略变换推不出洛仑兹收缩伽利略变换矛盾电磁理论洛仑兹收缩222'''22'/1/)/(/1/)(cvcvxttzzyycvvtxx4.洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换（洛伦兹的解释）用洛伦兹变换①可推出洛伦兹收缩②麦克斯韦电磁理论不变代价是放弃了“相对性原理”5.爱因斯坦的探索爱因斯坦赞同马赫对牛顿绝对时空观的批评（《力学史评》）“相对性原理”是一条根本性原理，应当坚持从“斐佐实验”与“光行差现象”的矛盾，爱因斯坦认识到应该放弃以太理论从双星轨道不发生形变知道光速与光源运动无关认识到光速的绝对性，提出“光速不变原理”双星轨道不变形麦克斯韦理论中电磁波速（光速）是常数c追光悖论支持光速不变原理（光速的绝对性）伽利略变换下的速度迭加（平行四边形法则）''''dxdxvdtdxvdtdtdtuuvuuvucccv即若是光速，则上述速度叠加（平行四边形）法则与光速不变原理矛盾即伽利略变换与光速不变原理矛盾1905年与贝索的讨论突然意识到：时间不是绝对的，“同时”的定义依赖于对信号传播速度的约定（规定）。6.爱因斯坦的新理论相对性原理光速不变原理洛伦兹变换（爱因斯坦的解释）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相对变换是相对速度v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“同时”是相对的（早已认识到“同地”是相对的）动钟变慢：时间是相对的动尺收缩：空间是相对的质能关系：2mcE22/1/cvdtdT220/1cvll四.狭义相对论两个作相对运动的惯性系yxx'y'vc0SS'洛伦兹变换（1）./1,,,/122222cvxcvttzzyycvvtxx逆变换（2）./1,,,/122222cvxcvttzzyycvtvxx1.同时的相对性21212122221(''',,)100'0dtttdtttdxxxvdtdxcdtvcdxxxdtdt从（1）式得，（3）若，当时2221'0'00vdtdxcdtvcdxdtdt从（2）式得，（4）若，当时2.动钟变慢对S系，A是动钟，A静置于S’系中，从（4）式得22/1/(5)dtdtvcABSS''dxo对S’系，B是动钟，B静置于S系中，从（3）式得，（6）0dx22'/1/dtdtvc3.动尺收缩在惯性系中静止的，长度的尺，在系中同时测量其两端（即系中的时间与分别为测量尺的前后两端的时刻，由于同时测尺的两端，所以），从（1）式推出的0lxS112,0tttt2t21ttSS221cvtvxx得到长度（7）2202211cvlcvxxl2''1/uvuuvc4.速度迭加（8）注意：从上式可知，通过速度迭加不可能超光速'0.90.9945uvcuc5.静质量与动质量（9）2201cvmm（和m是否都是质量？）0m6.质能关系（10）（11）质量与能量是同一事物的两个侧面，不是质量与能量相互转化2mcE200cmE7.经典力学的动能（12）经典物理中的动能（13）2402022202028321)111(cvmvmcvcmcmmcT2021vmT8.世界线四维时空中的世界线（14）txyABCdsdsds2222dzdydxdl222222dzdydxdtcds9.固有时（14）式中当时，称（15）为固有时，当不为0时（16）其中0dxdydz222dtcdscdsiddxdydz、、dtcvd22/12222)()()(dtdzdtdydtdxv“固有时”就是质点（观测者）世界线的长度，也就是质点（观测者）自身经历的时间10.双生子佯谬ABpqtx双生子佯谬2222222dxc1-dtddydxds伪欧时空欧几里德空间双生子佯谬（17）（18）pqpqqpAttdtdpqqpqpBttdtcvd221比邻星距地球4.3光年，以3g加速到25万公里/秒，然后自由飞行，再以3g减速到比邻星，然后以同样方式返回。火箭上7年，地球上12年到银河系中心旅行往返均以2g加速火箭上40年，地球上6万年是否能得出相反的结论？（火箭上的人看来，地球相对自己加速，是否可以得出地球上的钟比火箭上的钟慢的相反结论？）答案：不行！三维加速度是相对的，四维加速度是绝对的。爱因斯坦的创新之处：（1）坚持相对性原理（抛弃绝对空间和以太）（2）认识到光速是绝对的（3）时间能量空间动量究竟是谁创建了相对论？1892洛伦兹－斐兹杰惹收缩（1892）（1889，1893）1902庞加莱（彭加勒）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220/cv1/ll1904洛伦兹部分接受庞加莱批评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；斐兹杰惹）给出电子质量公式（1904年）220cv-1mm222cv-1xcv-tt1904庞加莱·正确表述“相对性原理”·推测真空中光速c是常数，且可