福建省漳州市薌城中學高三物理學史《相對論的發(fā)展》課件

1、相對論的建立與發(fā)展目錄目錄 一一 引言引言 二二 歷史背景歷史背景. 三三 狹義相對論的建立狹義相對論的建立 四四 質量隨速度而增大質量隨速度而增大 質能關系質能關系 五五 狹義相對論被承認的曲折經歷狹義相對論被承認的曲折經歷 六六 廣義相對論簡介廣義相對論簡介 1引言引言 “牛頓啊，請原諒我，你所發(fā)現的道路，在你所在牛頓啊，請原諒我，你所發(fā)現的道路，在你所在的那個時代，是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所的那個時代，是一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現的唯一道路。你所創(chuàng)造的概念，甚至今天仍然指能發(fā)現的唯一道路。你所創(chuàng)造的概念，甚至今天仍然指導著我們的物理思想，雖然我們現在知道，如果要更

2、加導著我們的物理思想，雖然我們現在知道，如果要更加深入地了解各種聯系，那就必須用另外一些離直接經驗深入地了解各種聯系，那就必須用另外一些離直接經驗領域較遠的概念來代替這些概念。領域較遠的概念來代替這些概念?！?愛因斯坦在紀念牛頓誕生愛因斯坦在紀念牛頓誕生300300周年周年 紀念會上的講話紀念會上的講話 本講介紹的狹義相對論使幾千年來人們的絕對時空觀發(fā)本講介紹的狹義相對論使幾千年來人們的絕對時空觀發(fā)生了深刻的變革，由此導出的質能關系式生了深刻的變革，由此導出的質能關系式 ，為，為原子能的應用開辟了道路。原子能的應用開辟了道路。 1913191319151915年，愛因斯坦進一步創(chuàng)立的廣義相對論

3、，把年，愛因斯坦進一步創(chuàng)立的廣義相對論，把牛頓萬有引力理論提高到新的場論水平，為宇宙學研究牛頓萬有引力理論提高到新的場論水平，為宇宙學研究開辟了道路。開辟了道路。 相對論是現代物理學的重要基石。它的建立是相對論是現代物理學的重要基石。它的建立是20世紀自世紀自然科學最偉大的發(fā)現之一，對物理學、天文學、哲學思然科學最偉大的發(fā)現之一，對物理學、天文學、哲學思想有深遠的影響。想有深遠的影響。2mcE “ “科學不僅是定律的集合或一系列不相關事實的目科學不僅是定律的集合或一系列不相關事實的目錄，它是人類心智的創(chuàng)造，包含了自由發(fā)明的思想和概錄，它是人類心智的創(chuàng)造，包含了自由發(fā)明的思想和概念念確實，近代物

4、理所創(chuàng)造的實在（確實，近代物理所創(chuàng)造的實在（RealityReality）遠遠離）遠遠離開了以往年代的。開了以往年代的?！?” 愛因斯坦愛因斯坦相對論好象是：相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領域。然劃出一道道十分強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領域。” ” 德布羅意德布羅意1.牛頓力學時空觀牛頓力學時空觀 力學討論的是物體位置隨時間的改變，所以牛頓認為力學討論的是物體位置隨時間的改變，所以牛頓認為首先要對時空性質有所約定。在牛頓之前，時間和空首先要對時空性質有所約定。在牛頓之前，時間和空間都是與具體事物

5、的運動聯系在一起的，時間是用日間都是與具體事物的運動聯系在一起的，時間是用日月星辰的運動和水漏、沙漏來定義的，空間是用能熱月星辰的運動和水漏、沙漏來定義的，空間是用能熱脹冷縮的桿來測量的。伽利略引入了相對運動的概念，脹冷縮的桿來測量的。伽利略引入了相對運動的概念，力學相對性原理和伽利略變換，但沒引入絕對時空概力學相對性原理和伽利略變換，但沒引入絕對時空概念。念。絕對空間，就其本質來說，獨立于外界任何事物，總是絕對空間，就其本質來說，獨立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的。始終如一和靜止不動的。 牛頓牛頓 2 2歷史背景歷史背景 牛頓的偉大之處在于他引入了抽象的絕對時空：絕對牛頓的偉大之處

6、在于他引入了抽象的絕對時空：絕對空間是均勻的、無限的和各向同性的；時間是均勻的、空間是均勻的、無限的和各向同性的；時間是均勻的、無限的，而且時間和空間是相互獨立的。牛頓時空觀無限的，而且時間和空間是相互獨立的。牛頓時空觀深入人心，盡管后來遭到質疑和批評，但這絲毫不影深入人心，盡管后來遭到質疑和批評，但這絲毫不影響牛頓的偉大功績。響牛頓的偉大功績。日日冕冕沙沙 漏漏 絕對的絕對的, , 真正的和數學的時間自己流逝著真正的和數學的時間自己流逝著, , 并由于它的并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關的流逝。本性而均勻的與任何外界對象無關的流逝。 牛頓牛頓2 2、邁克爾遜、邁克爾遜莫雷實驗莫雷實驗

7、 “ “以太以太”的概念最早出現在笛卡爾于的概念最早出現在笛卡爾于16441644年發(fā)表的年發(fā)表的哲學原理一書中。按笛卡爾的觀點，哲學原理一書中。按笛卡爾的觀點，“虛空虛空”是不可是不可能存在的，整個宇宙充滿著一種易動的物質，這種物質就能存在的，整個宇宙充滿著一種易動的物質，這種物質就是是“以太以太”。 17 17世紀，惠更斯也用了世紀，惠更斯也用了“以太以太”的說法。的說法。 麥克斯韋也援用麥克斯韋也援用“以太以太”的概念。他把的概念。他把“以太以太”看成看成電磁場的物質基礎電磁場的物質基礎, ,認為電磁現象是認為電磁現象是“以太以太”運動的表現。運動的表現。 聲音靠空氣傳播，那么光靠什么傳

8、播？聲音靠空氣傳播，那么光靠什么傳播？1919世紀的科學家世紀的科學家曾假定真空中有一種曾假定真空中有一種“剛性剛性”極大的介質，叫極大的介質，叫“以太以太”，光靠它傳播。當時不少人也猜想：或許光靠它傳播。當時不少人也猜想：或許“以太以太”就是牛就是牛頓的絕對空間。一切相對于絕對空間做勻速運動的參考頓的絕對空間。一切相對于絕對空間做勻速運動的參考系，都是慣性系。系，都是慣性系。 由于人們把由于人們把“以太以太”選作絕對靜止的參照系，因此在選作絕對靜止的參照系，因此在19世紀，人們熱衷于尋找出地球相對于以太的絕對速度。世紀，人們熱衷于尋找出地球相對于以太的絕對速度。1881年，美國人邁爾耳遜設計

9、了一個實驗，但是卻得到年，美國人邁爾耳遜設計了一個實驗，但是卻得到“0”結果。結果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復實驗，但實驗結果仍然年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復實驗，但實驗結果仍然是是“零結果零結果”。根據這一結果，。根據這一結果，“以太以太”顯然是一廂情愿的顯然是一廂情愿的設想，盡管不斷改進，但結論卻相同。設想，盡管不斷改進，但結論卻相同。 試想，如果以太的確存在，則當地球在以太中繞太陽以的試想，如果以太的確存在，則當地球在以太中繞太陽以的 速度高速運行時，在地球上應當感受到速度高速運行時，在地球上應當感受到“以太風以太風”。sm/1034實驗目的實驗目的實驗裝置和基本原理實驗裝置和

10、基本原理 由于地球相對以太運動，則到達探測器的兩束光的時由于地球相對以太運動，則到達探測器的兩束光的時間差為間差為22222122ccLccLcLcLtvvvv21222124141tLtcv2222121212ccLccLtvv 這個時間差，將引起兩束光的光程差（即相位這個時間差，將引起兩束光的光程差（即相位差）。實驗中讓整個儀器在水平面上平穩(wěn)地轉動，使差）。實驗中讓整個儀器在水平面上平穩(wěn)地轉動，使以太的方向連續(xù)地改變，相當于以太的方向連續(xù)地改變，相當于 的值連續(xù)改變，將的值連續(xù)改變，將可觀察到干涉條紋的移動?？捎^察到干涉條紋的移動。 實驗結果實驗結果 結果是看不到條紋的任何變化，也就是測不

11、到結果是看不到條紋的任何變化，也就是測不到“以太風以太風”的存在。的存在。 t 3 3、真空中的光速、真空中的光速根據麥克斯韋的電磁理論，光速根據麥克斯韋的電磁理論，光速“c”“c”應為一常數，應為一常數，與牛頓力學的速度疊加法則相矛盾。與牛頓力學的速度疊加法則相矛盾。 4 4、物理學家面臨的選擇、物理學家面臨的選擇要么對牛頓力學做一些顧此失彼的解釋，修修補補，要么對牛頓力學做一些顧此失彼的解釋，修修補補，要么徹底拋棄，建立新的理論。要么徹底拋棄，建立新的理論。人名人名貢獻貢獻影響影響麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論創(chuàng)建電磁理論赫茲赫茲修改麥克斯韋方程修改麥克斯韋方程佛格特佛格特18871887年

12、提出佛格特變換，與年提出佛格特變換，與洛倫茲變換相似洛倫茲變換相似洛倫茲知道佛格特的工洛倫茲知道佛格特的工作，但沒有足夠注意。作，但沒有足夠注意。拉摩拉摩拉摩進動和拉摩變換拉摩進動和拉摩變換費茲杰惹費茲杰惹獨立地提出洛倫茲變換獨立地提出洛倫茲變換洛倫茲洛倫茲提出電子論和洛倫茲變換提出電子論和洛倫茲變換愛因斯坦讀過洛倫茲愛因斯坦讀過洛倫茲18951895年的著作年的著作彭家勒彭家勒提出相對性原理提出相對性原理3 3 狹義相對論的建立狹義相對論的建立一、走在愛因斯坦前面的人一、走在愛因斯坦前面的人 18791879年年3 3月月1414日生于德國烏爾姆一個猶太人家庭。日生于德國烏爾姆一個猶太人家庭

13、。 父親是父親是小商人，母親是鋼琴家。上學后，成績平平，但愛動腦筋，小商人，母親是鋼琴家。上學后，成績平平，但愛動腦筋，1212歲曾證明勾股定理。歲曾證明勾股定理。 1896 1896年，愛因斯坦正式成為一個無國籍的人，并考進了聯年，愛因斯坦正式成為一個無國籍的人，并考進了聯邦工業(yè)大學。大學期間，愛因斯坦迷上了物理學，一方面，他邦工業(yè)大學。大學期間，愛因斯坦迷上了物理學，一方面，他閱讀了德國著名物理學家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了閱讀了德國著名物理學家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學，并經常去理論物理學教授麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學，并經常去理論物理學教授

14、的家中請教。另一方面，他的大部分時間是去物理實驗室去做的家中請教。另一方面，他的大部分時間是去物理實驗室去做實驗，迷戀于直接觀察和測量。實驗，迷戀于直接觀察和測量。二、愛因斯坦的簡歷二、愛因斯坦的簡歷19001900年年 蘇黎世聯邦工業(yè)大學師范系畢業(yè)。蘇黎世聯邦工業(yè)大學師范系畢業(yè)。19021902年年 在瑞士聯邦專利局工作在瑞士聯邦專利局工作 19091909年年 離開專利局任蘇黎世大學理論物理學副教授。離開專利局任蘇黎世大學理論物理學副教授。19111911年年 任布拉格德語大學理論物理學教授，任布拉格德語大學理論物理學教授，19121912年年 任母校蘇黎世聯邦工業(yè)大學教授。任母校蘇黎世聯

15、邦工業(yè)大學教授。19141914年年 應能斯特的邀請，回德國任威廉皇帝物理研究所應能斯特的邀請，回德國任威廉皇帝物理研究所 所長兼柏林大學教授，直到所長兼柏林大學教授，直到19331933年。年。19201920年年 應洛倫茲和埃倫菲斯特（即應洛倫茲和埃倫菲斯特（即P.P.厄任費斯脫）的邀請，厄任費斯脫）的邀請， 兼任荷蘭萊頓大學特邀教授?；氐聡坏剿膫€月，第兼任荷蘭萊頓大學特邀教授?；氐聡坏剿膫€月，第 一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他投入公開的和地下的反戰(zhàn)活動。一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他投入公開的和地下的反戰(zhàn)活動。 經過經過8 8年艱苦的探索年艱苦的探索, ,于于19151915年最后建成了廣義相對論。年最

16、后建成了廣義相對論。19211921年年 獲諾貝爾物理獎。獲諾貝爾物理獎。19331933年年 受德國納粹迫害受德國納粹迫害, ,移居美國移居美國, ,為普林斯頓研究所研究員。為普林斯頓研究所研究員。19401940年年 加入美國國籍。加入美國國籍。19551955年年 4 4月月1818日去世。日去世。 三、相對論的建立三、相對論的建立19001900年，愛因斯坦大學畢業(yè)。年，愛因斯坦大學畢業(yè)。19011901年，他獲得了瑞士國籍。年，他獲得了瑞士國籍。19021902年，在他的朋友格羅斯曼年，在他的朋友格羅斯曼( (米列娃米列娃) )的幫助下，愛因斯坦終的幫助下，愛因斯坦終于在伯爾尼的瑞士

17、聯邦專利局找到了一份穩(wěn)定的工作于在伯爾尼的瑞士聯邦專利局找到了一份穩(wěn)定的工作當技當技術員。術員。 在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關注物理學界的在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關注物理學界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨特的見解。前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，在十年的探索過程中，愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅特別是經過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是信電磁理論是完全

18、正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照系中以太的存在絕對參照系中以太的存在。 他閱讀了許多著作發(fā)現，所有人試圖證明以太存在的試驗他閱讀了許多著作發(fā)現，所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究，愛因斯坦發(fā)現，除了作為絕對參照系都是失敗的。經過研究，愛因斯坦發(fā)現，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。于是他想到：絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物于是他想到：絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？嗎？ 當時的物理學家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對當時的物理學家一般都相信以

19、太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。1919世紀末，馬世紀末，馬赫在所著的發(fā)展中的力學中，批判了牛頓的絕對時空觀，赫在所著的發(fā)展中的力學中，批判了牛頓的絕對時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。這給愛因斯坦留下了深刻的印象。 19051905年年5 5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領悟到了什么，回到家法，兩人討論了很久。突然，愛因

20、斯坦領悟到了什么，回到家經過反復思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，經過反復思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯系。聯系。他找到了開鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因他找到了開鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。19051905年他發(fā)表了有關狹義相對論的三篇文章。年他發(fā)表了有關狹義相

21、對論的三篇文章。 愛因斯坦的相對論認為：光速是一切過程不可能達到的愛因斯坦的相對論認為：光速是一切過程不可能達到的最高臨界速度，無論怎樣加力，把能量加上去，都不可能使最高臨界速度，無論怎樣加力，把能量加上去，都不可能使物體達到或超過光速。物體達到或超過光速。-這就是這就是光速恒定光速恒定。 這就引出相對論的兩個著名的這就引出相對論的兩個著名的“佯謬佯謬”。 所謂佯謬，就是純粹從邏輯上對一個理論做結論推導，所謂佯謬，就是純粹從邏輯上對一個理論做結論推導，推導出一個明顯不合邏輯或者常識的結論或者兩個相互矛盾推導出一個明顯不合邏輯或者常識的結論或者兩個相互矛盾的結果。的結果。其中一個佯謬是：其中一個

22、佯謬是：快速運動著的一把尺子，它跟靜止狀態(tài)相快速運動著的一把尺子，它跟靜止狀態(tài)相比，在運動方向上長度縮短了比，在運動方向上長度縮短了。 另外一個佯謬：另外一個佯謬：快速運動參考系中的鐘，與靜止參考系中快速運動參考系中的鐘，與靜止參考系中的鐘相比，它走慢了。的鐘相比，它走慢了。-這就是所謂的時間膨脹，也叫時間這就是所謂的時間膨脹，也叫時間延遲。延遲。 在在19111911年年4 4月波隆那哲學大會上，法國物理學家月波隆那哲學大會上，法國物理學家P P朗之萬朗之萬用雙生子實驗對狹義相對論的時間膨脹效應提出了質疑，設想用雙生子實驗對狹義相對論的時間膨脹效應提出了質疑，設想的實驗是這樣的：一對雙胞胎，

23、一個留在地球上，另一個乘坐的實驗是這樣的：一對雙胞胎，一個留在地球上，另一個乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因為地球上已到地球時只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因為地球上已經過了經過了200200年了。這就是著名的年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子詳謬。雙生子佯謬說明雙生子佯謬說明狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。. 激烈的爭論沒有停息過。到激烈的爭論沒有停息過。到2020世紀三十年代末，從激世紀三十年代末，從激發(fā)氫

24、原子的實驗中，無可置疑地證明了時間的相對膨脹。發(fā)氫原子的實驗中，無可置疑地證明了時間的相對膨脹。后來，在宇宙線的研究過程中再次明確地得到了證實。這后來，在宇宙線的研究過程中再次明確地得到了證實。這就是說人們在實際的實驗中，的確發(fā)現快速運動的參考系就是說人們在實際的實驗中，的確發(fā)現快速運動的參考系中的時鐘變慢了，特別是宇宙線粒子的速度特別大，這一中的時鐘變慢了，特別是宇宙線粒子的速度特別大，這一效應的數值也較大。效應的數值也較大。 洛倫茲的工作洛倫茲的工作 在邁克爾孫在邁克爾孫- -莫雷實驗后，洛倫茲為了支持莫雷實驗后，洛倫茲為了支持“以太以太”存在的說法，引入了存在的說法，引入了“長度收縮長度

25、收縮”的假設，認為物體的假設，認為物體在運動時，在運動方向上會發(fā)生長度收縮，從而使到在運動時，在運動方向上會發(fā)生長度收縮，從而使到達探測器的兩束光的達探測器的兩束光的 0 0，以至看不到條紋運動。，以至看不到條紋運動。另外，他還在另外，他還在18951895年又提出了一個關于時間的變換式年又提出了一個關于時間的變換式的假設：的假設：txctt2v 式中式中 為地球系統(tǒng)的時間，為地球系統(tǒng)的時間，t t為為“以太以太”系統(tǒng)的時系統(tǒng)的時間。在上述兩假設下，洛倫茲證明了在間。在上述兩假設下，洛倫茲證明了在 的一級近的一級近似下，地球系統(tǒng)與似下，地球系統(tǒng)與“以太以太”系統(tǒng)的電磁規(guī)律是相同的。系統(tǒng)的電磁規(guī)

26、律是相同的。但是他卻認為，在他的理論中但是他卻認為，在他的理論中t t是真實時間，而是真實時間，而 的引的引入完全是一種輔助手段?？梢?，入完全是一種輔助手段?？梢?，t t和和 意義不同，處于意義不同，處于不同等地位。不同等地位?！耙蕴蕴弊鴺耸且粋€處于特殊地位的優(yōu)坐標是一個處于特殊地位的優(yōu)越坐標系，也就是說，電磁現象并不真的符合相對性越坐標系，也就是說，電磁現象并不真的符合相對性原理。原理。tc/vtt 洛倫茲的工作，最后被愛因斯坦的狹義相對論所洛倫茲的工作，最后被愛因斯坦的狹義相對論所取代，但是他的貢獻不可忽視，正如愛因斯坦所說：取代，但是他的貢獻不可忽視，正如愛因斯坦所說： “相對論實在

27、可以說是對麥克斯韋和洛倫茲的偉相對論實在可以說是對麥克斯韋和洛倫茲的偉大構思畫了最后一筆，因為它力圖把物理學擴充到包大構思畫了最后一筆，因為它力圖把物理學擴充到包括引力在內的一切現象。括引力在內的一切現象?！甭鍋銎澛鍋銎?9041904年在愛因斯坦發(fā)表相對論之前就推年在愛因斯坦發(fā)表相對論之前就推導出洛侖茲公式來，他已經走到了相對論的邊緣，導出洛侖茲公式來，他已經走到了相對論的邊緣，但是由于受到根深蒂固的絕對時空觀的影響，面對但是由于受到根深蒂固的絕對時空觀的影響，面對已發(fā)現的相對時空表示式，沒有從中找到正確的物已發(fā)現的相對時空表示式，沒有從中找到正確的物理含義。他說理含義。他說 t t 是真正

28、時間，是真正時間，tt是輔助量，僅為是輔助量，僅為數學方便而引入的。洛侖茲到數學方便而引入的。洛侖茲到 1909 1909 年還不能使自年還不能使自己完全相信相對論，他說：己完全相信相對論，他說：“在今天很多人提出了在今天很多人提出了與昨天他們說的話完全相反的主張，我不知道科學與昨天他們說的話完全相反的主張，我不知道科學是什么了，為怨恨自己不能在是什么了，為怨恨自己不能在 500 500 年前死去，在他年前死去，在他逝世前一年（逝世前一年（1927 1927 年）他更肯定地說，對于他只有年）他更肯定地說，對于他只有一個真正時間一個真正時間t t 。四、愛因斯坦的追光佯謬，狹義相對論的兩個基四、

29、愛因斯坦的追光佯謬，狹義相對論的兩個基本原理本原理 1 1愛因斯坦的追光佯謬的提出愛因斯坦的追光佯謬的提出 提出的背景提出的背景 （1 1）邁克爾孫）邁克爾孫- -莫雷實驗以及洛倫茲的工作的啟發(fā)。盡莫雷實驗以及洛倫茲的工作的啟發(fā)。盡管在愛因斯坦的文章中并沒有提到邁克爾孫管在愛因斯坦的文章中并沒有提到邁克爾孫- -莫雷實驗，莫雷實驗，也許在他看來，一個或幾個特殊實驗都不足以確立一也許在他看來，一個或幾個特殊實驗都不足以確立一個普遍原理。個普遍原理。 （2 2）馬赫哲學的影響。在馬赫的哲學中包含著懷疑的）馬赫哲學的影響。在馬赫的哲學中包含著懷疑的經驗主義的思想，即不能被經驗所證實的概念都是可經驗主

30、義的思想，即不能被經驗所證實的概念都是可以懷疑的。馬赫對牛頓的絕對時空觀提出尖銳的批評，以懷疑的。馬赫對牛頓的絕對時空觀提出尖銳的批評，為愛因斯坦放棄時間的絕對性打下了思想基礎。愛因為愛因斯坦放棄時間的絕對性打下了思想基礎。愛因斯坦曾說過：斯坦曾說過： “馬赫的真正偉大就在于他的不妥協(xié)的懷疑態(tài)度和馬赫的真正偉大就在于他的不妥協(xié)的懷疑態(tài)度和獨立性。獨立性?！?對于當時已被人們普遍接受的絕對時間對于當時已被人們普遍接受的絕對時間-空間概念，愛空間概念，愛因斯坦在青少年時代就提出了異疑。他的好奇心和大因斯坦在青少年時代就提出了異疑。他的好奇心和大膽的思辨使他在膽的思辨使他在16歲時（歲時（1895年

31、），就提出了一個理年），就提出了一個理想實驗：想實驗： “假使一個人能以光的速度和光波一起跑，會看假使一個人能以光的速度和光波一起跑，會看到什么現象呢？到什么現象呢？” 既然光是電場和和磁場不停地振蕩，交互變化而推既然光是電場和和磁場不停地振蕩，交互變化而推動向前的波，難道那時會看到只是在振蕩著的電磁場而動向前的波，難道那時會看到只是在振蕩著的電磁場而不向前傳播嗎？不向前傳播嗎？ 憑直覺，愛因斯坦給出的答案是：憑直覺，愛因斯坦給出的答案是： 愛因斯坦說：愛因斯坦說： “只有大膽的思辨而不是經驗的堆積，才能使我們只有大膽的思辨而不是經驗的堆積，才能使我們進步。進步。” 2 2狹義相對論的兩個基本

32、原理狹義相對論的兩個基本原理 愛因斯坦學習、研究、思考了愛因斯坦學習、研究、思考了1010年，于年，于19051905年發(fā)年發(fā)表了表了6 6篇論文，提出了劃時代的篇論文，提出了劃時代的“光的量子論光的量子論”、“狹狹義相對論義相對論”和和“布朗運動理論布朗運動理論”。 他把狹義相對論建立在兩個基本原理上：他把狹義相對論建立在兩個基本原理上： 在任何慣性參考系內真空中的光在任何慣性參考系內真空中的光速是不變的，各向同性的，與光源的速度無關，為速是不變的，各向同性的，與光源的速度無關，為 m/sm/s。 物理學的規(guī)律在任何慣性參考系內物理學的規(guī)律在任何慣性參考系內都是一樣的。都是一樣的。8103c

33、 這兩條基本原理互相聯系，由光速不變原理可導這兩條基本原理互相聯系，由光速不變原理可導出出“洛倫茲變換洛倫茲變換”, ,在此變換下，才能使電磁運動方程在此變換下，才能使電磁運動方程形式不變，使相對性原理成立。形式不變，使相對性原理成立。 同時電磁運動規(guī)律不變，也保證了光速不變（即同時電磁運動規(guī)律不變，也保證了光速不變（即導出導出“洛倫茲變換洛倫茲變換”的前提）。這也說明了理論本身的前提）。這也說明了理論本身是完全自洽的。是完全自洽的。五、由光速不變原理導出同時相對性五、由光速不變原理導出同時相對性 利用一個標準鐘利用一個標準鐘光鐘來說明同時相對性。也光鐘來說明同時相對性。也就是要利用光速不變原

34、理來導出就是要利用光速不變原理來導出“運動鐘運動鐘”比比“靜靜止鐘止鐘”走得慢。走得慢說明時間的單位變長了。走得慢。走得慢說明時間的單位變長了。 對靜止在對靜止在S S系的鐘，甲看到光來回反射一次的時系的鐘，甲看到光來回反射一次的時間是：間是： cdt20 在在 系，靜止的鐘對甲來說是運動的鐘，來回一系，靜止的鐘對甲來說是運動的鐘，來回一次的時間是：次的時間是： 但是必須指出，在但是必須指出，在 系中靜止的乙看來，此鐘來系中靜止的乙看來，此鐘來回一次的時間是回一次的時間是 。由于計時單位。由于計時單位 ，所以，所以，甲說：運動的鐘變慢了。當然在乙看來，甲說：運動的鐘變慢了。當然在乙看來， 系的

35、鐘也系的鐘也變慢了。變慢了。S2201cvttS0t0ttS 這就是同時的相對性。這就是同時的相對性。這在實驗上已得到了證實，包括高速宇宙飛船中原子這在實驗上已得到了證實，包括高速宇宙飛船中原子鐘變慢（鐘變慢（19711971年），高速飛行的年），高速飛行的子衰變壽命有靜止子衰變壽命有靜止時的時的 延長到運動時的延長到運動時的02201cv利用光速不變原理可導出運動物體的長度變短。利用光速不變原理可導出運動物體的長度變短。4 4 質量隨速度而增大質量隨速度而增大 質能關系質能關系 上面討論了相對論運動學，現在有必要轉入動力學上面討論了相對論運動學，現在有必要轉入動力學討論。討論。 一、質-能等

36、價關系的導出以及動力學基本方程 1 1愛因斯坦的大膽猜測愛因斯坦的大膽猜測 熱力學告訴我們，熱力學告訴我們，“內能內能”與物體的質量是成正比與物體的質量是成正比的，據此愛因斯坦大膽猜測：一個物體的質量與它所含的，據此愛因斯坦大膽猜測：一個物體的質量與它所含的全部能量成正比。根據量綱分析，可猜測比例常數等的全部能量成正比。根據量綱分析，可猜測比例常數等于于c2，對一個質量為，對一個質量為m，運動速度為運動速度為v的粒子，總能量為：的粒子，總能量為：2mcE 下面將進一步論證。下面將進一步論證。 對一個靜止質量為對一個靜止質量為m0的粒子，有靜止能量：的粒子，有靜止能量： 對這個粒子，經典力學早就

37、知道，低速運動粒子對這個粒子，經典力學早就知道，低速運動粒子的動能等于的動能等于 ，此動能應視為粒子能量的增量，此動能應視為粒子能量的增量 E E，考慮到對高速運動的粒子，增量還不止這些?？紤]到對高速運動的粒子，增量還不止這些。200cmE 2021vm202020221vmcmEcmmcE 2 2動力學基本方程動力學基本方程 由上面可以進一步猜測動質量由上面可以進一步猜測動質量)21 (1220220cmcmmvv2020221vmcmmcE2201cmmpvvv由上面式子可得：由上面式子可得：420222cmcpE還可定義狹義相對論下的動能還可定義狹義相對論下的動能T為為： 202cmmc

38、T3 3上面這些式子他猜對了否？上面這些式子他猜對了否？ 通過一個粒子吸收一個光子的實例，可以論證（具體通過一個粒子吸收一個光子的實例，可以論證（具體從略），他猜對了。從略），他猜對了。 相對論的質能關系為開創(chuàng)原子能時相對論的質能關系為開創(chuàng)原子能時代提供了理論基礎代提供了理論基礎 , 這是一個具有劃時這是一個具有劃時代意義的理論公式代意義的理論公式 .原子彈爆炸（核裂變）原子彈爆炸（核裂變）我國于我國于 1958 年建成的首座重水反應堆年建成的首座重水反應堆秦山核電站秦山核電站全景圖全景圖在建的在建的陽江核電站陽江核電站效果圖效果圖在建的在建的江蘇連云港江蘇連云港田灣核電站田灣核電站1967年

39、年6月月17日，中國第日，中國第一顆氫彈爆一顆氫彈爆炸成功炸成功 1.1.普遍讀不懂，不理解普遍讀不懂，不理解在法國，在法國，19101910年幾乎沒有人提到愛因斯坦。年幾乎沒有人提到愛因斯坦。 JJ JJ湯姆遜湯姆遜19091909年：年：“以太對我們來說，就象我們呼以太對我們來說，就象我們呼 吸空氣一樣不可缺少。吸空氣一樣不可缺少。” 馬吉馬吉19111911年：年：“我相信，現在沒有一個活著的人會斷言，我相信，現在沒有一個活著的人會斷言， 時間會是速度的函數。時間會是速度的函數。” 邁克爾遜至死（邁克爾遜至死（19311931年）還念念不忘年）還念念不忘“可愛的以太可愛的以太”， 認為相

40、對論是個怪物。認為相對論是個怪物。 5 5狹義相對論被承認的曲折經歷狹義相對論被承認的曲折經歷2.2.普朗克支持：普朗克支持：“如果相對論是正確的，愛因斯坦就如果相對論是正確的，愛因斯坦就是是2020世紀的哥白尼。世紀的哥白尼?！辈l(fā)表了愛因斯坦的文章。所以并發(fā)表了愛因斯坦的文章。所以人們常說，普朗克有兩大發(fā)現人們常說，普朗克有兩大發(fā)現! !3.3.實驗驗證實驗驗證19061906年，考夫曼得出了否定相對論的結果，相對論受年，考夫曼得出了否定相對論的結果，相對論受到考驗！但到考驗！但19071907年，愛因斯坦發(fā)表文章，堅信相對論是年，愛因斯坦發(fā)表文章，堅信相對論是正確的。正確的。支持相對論的

41、物理學家：支持相對論的物理學家：普朗克，當時作為物理學年鑒的主編，認識到愛因斯坦論普朗克，當時作為物理學年鑒的主編，認識到愛因斯坦論文的價值，及時給予發(fā)表。文的價值，及時給予發(fā)表。普朗克的學生勞厄，在普朗克的學生勞厄，在19111911年就致力于宣傳相對論。年就致力于宣傳相對論。閔可夫斯基，在閔可夫斯基，在19081908年提出四維空間，使相對論的規(guī)律以簡潔年提出四維空間，使相對論的規(guī)律以簡潔的形式表達。的形式表達。泡利，在泡利，在19211921年受他老師的推薦為數學科學百科全書撰寫年受他老師的推薦為數學科學百科全書撰寫了一篇關于相對論的長篇綜述文章，得到了愛因斯坦的高度評了一篇關于相對論的

42、長篇綜述文章，得到了愛因斯坦的高度評價，至今還是相對論方面的名著之一。價，至今還是相對論方面的名著之一。布雪勒，在布雪勒，在19081908年用改進的方法測量電子的質量，得到的結果年用改進的方法測量電子的質量，得到的結果與相對論的理論基本相符。與相對論的理論基本相符。19381938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實驗，結論年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實驗，結論更接近相對論的理論。更接近相對論的理論。19401940年，羅吉斯通過實驗再次證明愛因斯坦理論的正年，羅吉斯通過實驗再次證明愛因斯坦理論的正確性。確性。6 6廣義相對論簡介廣義相對論簡介 一、等效原理和廣義協(xié)變原理 1 1狹義相對論

43、存在的缺陷狹義相對論存在的缺陷 狹義相對論改變了人們對時空觀的認識，是一個狹義相對論改變了人們對時空觀的認識，是一個革命性的突破。但是所討論的各個參考系都只限于慣革命性的突破。但是所討論的各個參考系都只限于慣性系，它們彼此作勻速相對作用；另外，性系，它們彼此作勻速相對作用；另外，2020世紀初人世紀初人們只知道兩種相互作用：引力和電磁作用，可是狹義們只知道兩種相互作用：引力和電磁作用，可是狹義相對論未能解決引力問題，萬有引力定律無法納入相相對論未能解決引力問題，萬有引力定律無法納入相對論，因此愛因斯坦并不甘心。對論，因此愛因斯坦并不甘心。 科學靈感是一種超邏輯的科學思維，但是科學創(chuàng)科學靈感是一

44、種超邏輯的科學思維，但是科學創(chuàng)新往往來自科學靈感。愛因斯坦日夜思考如何解決狹新往往來自科學靈感。愛因斯坦日夜思考如何解決狹義相對論的不足?？墒撬f：義相對論的不足?？墒撬f：“有一天，轉機突然出有一天，轉機突然出現了。我坐在伯爾尼專利局的椅子上，突然想到，如現了。我坐在伯爾尼專利局的椅子上，突然想到，如果一個人自由下落，他會感覺不到他的體重。我很吃果一個人自由下落，他會感覺不到他的體重。我很吃驚，這個簡單的推理實驗對我影響至深，竟把我引向驚，這個簡單的推理實驗對我影響至深，竟把我引向了引力理論。我繼續(xù)設想一個下落的人處于加速的情了引力理論。我繼續(xù)設想一個下落的人處于加速的情況。此時，他的感覺和

45、判斷都是在加速運動的參考系況。此時，他的感覺和判斷都是在加速運動的參考系里發(fā)生的。我決定把相對論擴展到加速運動的參考系，里發(fā)生的。我決定把相對論擴展到加速運動的參考系，我認為這樣做可能同時解決引力問題。我認為這樣做可能同時解決引力問題。” 2 2等效原理和廣義協(xié)變原理等效原理和廣義協(xié)變原理 （1 1）等效原理：愛因斯坦關于把慣性質量和引力質量）等效原理：愛因斯坦關于把慣性質量和引力質量等同起來，或把加速度與引力場等同起來的假設，稱等同起來，或把加速度與引力場等同起來的假設，稱為等效原理，它是建立在廣義相對論上的一個基本原為等效原理，它是建立在廣義相對論上的一個基本原理。這個原理的提出，可通過按

46、愛因斯坦想法所做的理。這個原理的提出，可通過按愛因斯坦想法所做的兩個假想實驗來看。兩個假想實驗來看。 先假設你乘電梯情況，腳下放一磅秤。當電梯向先假設你乘電梯情況，腳下放一磅秤。當電梯向上加速（上加速（a向上）時，你會感受到一個向下的慣性力向上）時，你會感受到一個向下的慣性力Finertial=-ma，磅秤讀數為，磅秤讀數為magmF其中其中m為引力質量，為引力質量，m為慣性質量。當電梯向下加速時，為慣性質量。當電梯向下加速時，磅秤讀數為磅秤讀數為magmF 假想吊電梯的鋼索突然斷裂，電梯與人一起自由假想吊電梯的鋼索突然斷裂，電梯與人一起自由下落，此時磅秤讀數為下落，此時磅秤讀數為0 0，這意

47、味著慣性質量，這意味著慣性質量m等于引等于引力質量力質量m。按牛頓力學，。按牛頓力學，m定義來自運動定律，定義來自運動定律，m定義定義來自萬有引力定律。愛因斯坦把兩者相等性作為廣義來自萬有引力定律。愛因斯坦把兩者相等性作為廣義相對論的一個基本原理提出來。相對論的一個基本原理提出來。 同樣，觀察者在密封的電梯內，看不到電梯外的同樣，觀察者在密封的電梯內，看不到電梯外的情況。若電梯停止時，觀察者可看到自由的物體在引情況。若電梯停止時，觀察者可看到自由的物體在引力場中以加速度力場中以加速度g落向電梯底部。假如電梯在沒有引力落向電梯底部。假如電梯在沒有引力場的太空中以加速度場的太空中以加速度g向上運動

48、，他也會看到自由物體向上運動，他也會看到自由物體以加速度以加速度g落向電梯底部。觀察者看到的都是自由物體落向電梯底部。觀察者看到的都是自由物體落向底部，但前者是引力效應，后者是慣性力效應。落向底部，但前者是引力效應，后者是慣性力效應。若引力質量等于慣性質量時，觀察者不可能通過任何若引力質量等于慣性質量時，觀察者不可能通過任何力學實驗來判別電梯是停在引力場的地面，還是在無力學實驗來判別電梯是停在引力場的地面，還是在無引力場的太空中加速運動。由此實驗可理解加速度與引力場的太空中加速運動。由此實驗可理解加速度與引力場的等同性。當然這里要指出，這種等同性只是引力場的等同性。當然這里要指出，這種等同性只

49、是在局部范圍內有效。在局部范圍內有效。 （2 2）廣義協(xié)變原理（廣義相對性原理）廣義協(xié)變原理（廣義相對性原理） 作為相對性原理的推廣，廣義相對性原理可以表述作為相對性原理的推廣，廣義相對性原理可以表述為為“廣義協(xié)變原理廣義協(xié)變原理”：物理方程在一般的引力場中也成：物理方程在一般的引力場中也成立。嚴格講這里立。嚴格講這里“成立成立”是指滿足兩個條件：是指滿足兩個條件： 此方程在無引力場時與狹義相對論的定律形式一致。此方程在無引力場時與狹義相對論的定律形式一致。 此方程是協(xié)變的，即在一般坐標變換此方程是協(xié)變的，即在一般坐標變換（x,y,z,tx,y,z,t）下保持它的形式不變。下保持它的形式不變。

50、 二、有引力場的空間-時間是彎曲的1 1彎曲空間（黎曼幾何）的特點彎曲空間（黎曼幾何）的特點 在狹義相對論中認為時、空相互無關，不再獨立，在狹義相對論中認為時、空相互無關，不再獨立，是一個整體，稱為四維空間。有引力場的空間是一個整體，稱為四維空間。有引力場的空間- -時間（四時間（四維空間）是彎曲的。維空間）是彎曲的。 如何理解有曲率的四維空間，這是很難想象的。事如何理解有曲率的四維空間，這是很難想象的。事實上，三維空間有彎曲，也已經難以想象了。只能回到實上，三維空間有彎曲，也已經難以想象了。只能回到二維空間去理解什么是彎曲（不平坦）。二維空間去理解什么是彎曲（不平坦）。 舉例：二維彎曲球面。

51、所謂二維指只需兩個數（經舉例：二維彎曲球面。所謂二維指只需兩個數（經度和緯度）就可以標定球面上一點。對二維球面，已不度和緯度）就可以標定球面上一點。對二維球面，已不是平直空間，與平直的歐氏（歐幾里德）空間有不同的是平直空間，與平直的歐氏（歐幾里德）空間有不同的特點。前者用黎曼幾何描述，后者用歐幾里德幾何描述，特點。前者用黎曼幾何描述，后者用歐幾里德幾何描述，兩者不同點見下表。兩者不同點見下表?？臻g空間曲率曲率平行線平行線三角形內三角形內角之和角之和圓周率圓周率例例兩點間兩點間最短線最短線黎曼幾何黎曼幾何正正無無180 球面球面直線直線歐幾里德歐幾里德幾何幾何零零一條一條=180 = 平面平面不

52、是直線不是直線 2 2萬有引力是時空彎曲的表現萬有引力是時空彎曲的表現 愛因斯坦推測引力效應可能是一種幾何效應。萬愛因斯坦推測引力效應可能是一種幾何效應。萬有引力不是一般的力，而是時空彎曲的表現。由于引有引力不是一般的力，而是時空彎曲的表現。由于引力與質量有關，所以時空彎曲與物質的存在和運動有力與質量有關，所以時空彎曲與物質的存在和運動有關。舉如下一個形象的例子說明。關。舉如下一個形象的例子說明。 假使有假使有4 4個人各拉緊床單的一角，床單這個二維空個人各拉緊床單的一角，床單這個二維空間就是平坦的。放一個小玻璃球在上面，如果不去推間就是平坦的。放一個小玻璃球在上面，如果不去推它，它就會保持靜

53、止或勻速直線運動狀態(tài)（假定摩擦它，它就會保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)（假定摩擦力可忽略）。如果在床單中央放一大球，床單就會凹力可忽略）。如果在床單中央放一大球，床單就會凹下去，這個二維空間就彎曲了。這時如果再放一個小下去，這個二維空間就彎曲了。這時如果再放一個小玻璃球在床單上，它就會滾向中央的大球。按牛頓觀玻璃球在床單上，它就會滾向中央的大球。按牛頓觀點，這是由于大球用點，這是由于大球用“萬有引力萬有引力”吸引小球。按愛因吸引小球。按愛因斯坦觀點，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不斯坦觀點，則是由于大球的存在使空間彎曲了，并不存在什么存在什么“引力引力”，小球落向大球乃是彎曲空間中的，小球落向

54、大球乃是彎曲空間中的自由（慣性）運動。這時如果給小球一個橫向速度，自由（慣性）運動。這時如果給小球一個橫向速度，它就會繞大球轉起來。按牛頓觀點，這是由于小球受它就會繞大球轉起來。按牛頓觀點，這是由于小球受大球引力而沿圓形軌道運動。按愛因斯坦觀點，小球大球引力而沿圓形軌道運動。按愛因斯坦觀點，小球并未受到任何力，只是在彎曲空間中做自由運動。并未受到任何力，只是在彎曲空間中做自由運動。 注意到，上面比喻僅僅是直觀的講了彎曲空間，實注意到，上面比喻僅僅是直觀的講了彎曲空間，實際廣義相對論說的是四維際廣義相對論說的是四維“時空時空”的彎曲。太陽的存在，的彎曲。太陽的存在，使四維時空彎曲了。行星繞日運動就是在彎曲時空中的使四維時空彎曲了。行星繞日運動就是在彎曲時空中的慣性運動。按此觀點，早年，伽利略所認為的行星繞日慣性運動。按此觀點，早年，伽利略所認為的行星繞日運動也是慣性運動的想法，其實是正確而深刻的。運動也是慣性運動的想法，其實是正確而深刻的。 3 3彎曲時空幾何等同于引力場物理彎曲時空幾何等同于引力場物理 愛因斯坦所給出的廣義相對論基本方程，又稱愛愛因斯坦所給出的廣義相對論基本方程，又稱愛因斯坦場方程。此方程把幾何學與引力論融合為一個因斯