爱因斯坦

爱因斯坦与物理学的革命---纪念相对论诞生100周年暨爱因斯坦逝世50周年赵峥北京师范大学物理系一.两朵乌云二.狭义相对论三.弯曲的时空——广义相对论四.相对论的进展五.爱因斯坦的成就与影响一.两朵乌云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量子论的诞生量子说光子说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”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篇论文希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了空闲、宽容爱因斯坦的丰收年（26岁）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）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（36岁）•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x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）222'''22'/1/)/(/1/)(cvcvxttzzyycvvtxx洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换爱因斯坦的新理论相对性原理光速不变原理洛伦兹变换不存在绝对空间，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是相对速度爱因斯坦：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是静钟是动钟，dTdt双生子佯谬ABpqtx双生子佯谬2222222dxc1-dtddydxds伪欧时空欧几里德空间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（最困难的思想突破）（3）时间能量空间动量究竟是谁创造了相对论？历史：1892洛伦兹－斐兹杰惹收缩（1892）（1889，1893）1902彭卡莱否认绝对空间，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.cv-1ll1904洛伦兹部分接受彭卡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）电子质量公式220cv-1mm222cv-1xcv-tt1904彭卡莱·正确表述“相对性原理”·提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间。·推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；1905爱因斯坦发表相对论（论运动物体的电动力学）只有他认识到（1）必须彻底抛弃绝对空间（以太）必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性）（2）“同时”是相对的，可以用光来对钟，定义“同时”（3）新理论是一个时空理论杨振宁教授洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论，不从哲学角度考虑彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题,不从实验和测量的角度考查爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。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伽利略受审牛顿与苹果落地引力场=惯性场(局域)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”）地球上的自由落体运动是惯性运动弯曲的时空时间能量空间动量kTRgR21时空曲率物质爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程：kTRgR21爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程：TR数学家对爱因斯坦的帮助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：（1918年：爱丁顿西非普林西比;巴西，阴雨）=1.980.12今天：=1.89爱因斯坦说：•狭义相对论如果我不发现，五年之内就会有人发现。•广义相对论如果我不发现，50年之内也不会有人发现！四、相对论的进展相对论的进展•引力波•现代宇宙学•黑洞•奇性定理•时空隧道与时间机器•规范场引力波•广义相对论预言：有引力波，以光速传播•J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉冲双星（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。）现代宇宙学爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型加入宇宙项kTgRgRkTRgR2121（宇宙项）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%黑洞r22cGMr(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宇宙中的虫洞时空隧道与时间机器规范场：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6、引力规范理论五、爱因斯坦的学术成就与影响E=mc2狭义相对论博士论文获诺贝尔奖之作导致Perrin获诺贝尔奖1905爱因斯坦:怎样获得诺贝尔奖？提名Einstein的领域相对论；量子论；引力论；布朗运动；光量子；统计力学；临界乳光；比热；数学物理；光电效应；爱因斯坦－德哈斯效应等。提名最多的领域是相对论，包括狭义和广义相对论。但是，获奖的却是光电效应。1921光电效应得奖年：1921得奖人：A.Einstein得奖项目：forhisservicestotheoreticalphysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect瑞典皇家科学院秘书的信：“…但是没有考虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应获得的评价”检验爱因斯坦理论或与爱因斯坦理论密切相关的研究工作而获诺贝尔奖的1926布朗运动得奖年：1926得奖人：J.B.Perrin得奖项目：forhisworkonthediscontinuousstructureofmatter,andespeciallyforhisdiscoveryofsedimentationequilibrium说明：首次实验证明Einstein的布朗运动理论1927康普顿效应得奖年：1927得奖人：A.H.Compton得奖项目：forhisdiscoveryoftheeffectnamedafterhim说明：首次证明光子同时具有能量、动量、频率、波长——“E=h,p=h/”1951E=mc2得奖年：1951得奖人：SirJ.D.Cockcroft&E.T.S.Walton得奖项目：fortheirpioneerworkonthetransmutationofatomicnucleibyartificiallyacceleratedatomicparticles说明：“averificationwasprovidedbythisanalysisforEinstein’slawconcerningtheequivalenceofmassandenergy”1964受激辐射得奖年：1964得奖人：C.H.Townes,N.G.Basov,A.M.Prochorov得奖项目：forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple说明：maser－laserbasedon受激辐射1993引力波得奖年：1993得奖人：R.A.Hulse,J.H.Taylor,Jr得奖项目：forthediscoveryofanewtypeofpulsar,adiscoverythathasopenedupnewpossibilitiesforthestudyofgravitation说明：验证了引力波2001Bose－Einstein凝聚得奖年：2001得奖人：E.A.Cornell,W.Ketterle,C.E.Wieman得奖项目：fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates爱因斯坦的工作还会导致哪些诺贝尔奖？量子信息学与量子纠缠EPReffectEntanglement量子信息学量子计算机类星体与引力透镜效应1979：Walsh，Carswell，Weymann发现了首个类星体（0957＋561）的引力透镜现象。随后，一大批引力透镜现象（包括爱因斯坦环、爱因斯坦弧等）被发现。微波背景辐射各向异性的发现COBE卫星WMAP卫星导致精确宇宙学、和谐宇宙学的建立黑洞物理及其观测黑洞物理以及黑洞天体物理黑洞吸积及辐射黑洞观测与证认引力波的探测间接检验引力波已有Hulse－Taylor工作（已获奖）双脉冲星观测已有许多方案和卫星设计直接观测引力波（很可能会导致新奖）宇宙学与宇宙常数爱因斯坦宇宙宇宙常数－万有斥力宇宙常数－三起三落宇宙年龄减速因子－加速膨胀的发现暗能量精确宇宙学、和谐宇宙学大突破的前夕爱因斯坦的主要成就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是人而不是神他曾经：•不同意膨胀宇宙模型；•不同意白矮星存在质量上限；•不同意有