8相对论的建立和发展

第七章相对论的建立和发展物理学史§7.1历史背景第七章相对论的建立和发展§7.2爱因斯坦创建狭义相对论的经过§7.3狭义相对论的遭遇和实验检验§7.4广义相对论的建立§7.5广义相对论的实验检验第七章相对论的建立和发展物理学史相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”——德布罗意第七章相对论的建立和发展物理学史§7.1历史背景相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。第七章相对论的建立和发展物理学史1.牛顿力学时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。——牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿2、迈克尔逊——莫雷实验由于人们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。第七章相对论的建立和发展物理学史第七章相对论的建立和发展物理学史“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的《哲学原理》一书中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是“以太”。17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。3、真空中的光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。4、物理学家面临的选择要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。第七章相对论的建立和发展物理学史法国著名科学家彭加勒（HenriPoincarè）对洛仑兹理论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。1904年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。第七章相对论的建立和发展物理学史第七章相对论的建立和发展物理学史§7.2爱因斯坦创建狭义相对论的经过爱因斯坦是德国人，有犹太血统，1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学，1901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。就在专利局工作期间，1905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域提出了新的见解。其中《论动体的电动力学》一文更具有划时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论，一举解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，简称相对论，后来又叫狭义相对论。第七章相对论的建立和发展物理学史一、走在爱因斯坦前面的人人名贡献影响麦克斯韦创建电磁理论赫兹修改麦克斯韦方程佛格特1887年提出佛格特变换，与洛伦兹变换相似洛伦兹知道佛格特的工作，但没有足够注意。拉摩拉摩进动和拉摩变换费兹杰惹独立地提出洛伦兹变换洛伦兹提出电子论和洛伦兹变换爱因斯坦读过洛伦兹1895年的著作彭家勒提出相对性原理第七章相对论的建立和发展物理学史1879年3月14日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，12岁曾证明勾股定理。1896年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。二、爱因斯坦简介第七章相对论的建立和发展物理学史爱因斯坦在苏黎世联邦工业大学的实验室里做过许多实验，这是他用过的仪器第七章相对论的建立和发展物理学史•爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。康德的《纯粹理性批判》，马赫的《力学史评》都给了他深刻的影响。1902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成“奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒等人的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。第七章相对论的建立和发展物理学史1900年苏黎世联邦工业大学师范系毕业。1902年在瑞士联邦专利局工作1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应能斯脱的邀请，回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。1920年应洛伦兹和埃伦菲斯特（即P.厄任费斯脱）的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国不到四个月，第一次世界大战爆发，他投入公开的和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最后建成了广义相对论。1921年获诺贝尔物理奖。1933年受德国纳粹迫害，移居美国，为普林斯顿研究所研究员。1940年加入美国国籍。1955年4月18日去世。第七章相对论的建立和发展物理学史三、狭义相对论的建立1900年，爱因斯坦大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作——当技术员。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系中以太的存在。第七章相对论的建立和发展物理学史他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。第七章相对论的建立和发展物理学史1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。1905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。第七章相对论的建立和发展物理学史早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说：“最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球相对以太的运动”。甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿不同方向的两束光线所放出的热量。不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一步。”第七章相对论的建立和发展物理学史爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个概念会相互矛盾呢？爱因斯坦苦思不得其解。起初他想修改洛仑兹的观念，以解决这个矛盾，结果白白花了一年时间，没有取得进展。经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。他在那次讲演中这样形容当时的情景：“为什么这两个观念相互矛盾呢？我感到这一难题相当不好解决。我花了整整一年的时间，试图修改洛仑兹的思想，来解决这个问题，但是却徒劳无功。“是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。”第七章相对论的建立和发展物理学史爱因斯坦和洛伦兹在一起第七章相对论的建立和发展物理学史不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。他称之为两条公设，内容如下：“1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的那一个并无关系，（相对性原理）。”“2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速不变原理）。”第七章相对论的建立和发展物理学史爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。第七章相对论的建立和发展物理学史另外一个佯谬就是：快速运动参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走慢了。----这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。第七章相对论的建立和发展物理学史爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文的最后，推导出了电子质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速c时动能变为无穷大的结果预言电子速度不可能大于光速。1905年晚些时候，爱因斯坦又发表了一篇论文，题为《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，第一次提出了相对论的质能转化关系。“物体质量是它所包含的能量的量度。”“如果能量改变L，则质量也要同时改变L/（9×1020）（即L/c2，这里用的是CGS单位）。”第七章相对论的建立和发展物理