第1講 愛因斯坦

第一講愛因斯坦

和

量子論與相對論的誕生一、物理學的開端二、愛因斯坦的豐收年三、相對論的建立四、狹義相對論物理學（Physics）這個詞起源于亞歷士多德公元前300多年，古希臘蘇格拉底柏拉圖亞歷士多德一、物理學的開端阿基米德

（亞歷山大科學院，前287-前212年）浮力定律杠桿原理“給我支點，我可以撬動地球！”重心的概念阿基米德“物理學”真正開始于伽利略他使物理學成為一門“實驗的科學”、“測量的科學”“伽利略的發(fā)現(xiàn)及他所應(yīng)用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一。它標志著物理學的真正開端”——愛因斯坦在經(jīng)驗（實驗）基礎(chǔ)上進行假設(shè)及邏輯推論從而得出正確結(jié)論的思想方法。1642年（對物理學重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣誕節(jié)之夜牛頓出生（儒略歷1642.12.25格利高里歷1643.1.4）伽利略慣性定律相對性原理自由落體定律慣性定律虛空中運動的原子，由于沒有阻力，將一直等速運動下去（公元前400年左右，德謨克利特等古希臘哲學家）伽利略的斜面實驗相對性原理地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。 漢《尚書緯?考靈曜》伽利略《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）《兩門新科學》（1638年）自由落體定律比薩斜塔上的自由落體實驗伽利略的斜面實驗斜面運動是“減緩了的”或“沖淡了的”自由落體運動。牛頓集經(jīng)典力學之大成《自然哲學的數(shù)學原理》（45歲）《光學》（65歲）牛頓的物理體系絕對時間絕對空間慣性系相對性原理力學三定律萬有引力定律自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中上帝說，讓牛頓去吧，于是一切成為光明?！ㄆ漳怪俱懀７隆秳?chuàng)世紀》）“NatureandNature’slawlayhidinnight,GodsaidletNewtonbeandallwaslight”光學牛頓的微粒說戰(zhàn)勝惠更斯的波動說1801年，托馬斯·楊的干涉實驗波動說戰(zhàn)勝微粒說波動光學光既是波動就應(yīng)有載體亞歷士多德月上世界月下世界波動光學光是以太的彈性振動電磁學光波是電磁波麥克斯韋從介質(zhì)的彈性振動導出了電磁學的基本方程組熱學熱力學第一定律（能量守恒）。邁爾，焦耳，亥姆霍茲熱力學第二定律（卡諾定理）?？ㄖZ，克勞修斯卡諾從熱質(zhì)說“導出”了卡諾定理熱力學第三定律。能斯特熱力學第零定律二、愛因斯坦的豐收年

1900，開爾文勛爵：物理學的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。黑體輻射邁克爾遜實驗量子論（1900年）相對論（1905年）量子論的誕生量子論光子論愛因斯坦解釋光電效應(yīng)1905愛因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國烏爾姆中，小學時代德國慕尼黑1895-1896瑞士阿勞中學一年1896-1900蘇黎士工業(yè)大學學習1900-1902艱辛求職，四面碰壁1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況：1901-------1篇論文1902-------2篇論文1903-------1篇論文1904-------1篇論文 （“奧林匹亞科學院”）愛因斯坦的豐收年1905-------5篇3月解釋光電效應(yīng)——光子說（6月發(fā)表）4月博士論文：測定分子大小的新方法（4月提交）

5月解釋布朗運動（7月發(fā)表）6月“論運動物體的電動力學”——狹義相對論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）愛因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914進入大學工作（蘇黎士，布拉格等地）1914-1933柏林大學教授，德國物理研究所所長、院士1915提出廣義相對論1933-1955美國普林斯頓大學高級研究所研究員1955年4月18日逝世

愛因斯坦對學校教育持批評態(tài)度，一生中除了在阿勞中學那一年的補習班外，對學校教育沒有好印象。他高度評價阿勞中學的教學：“這個中學用它的自由精神和那些不仗外界權(quán)勢的教師的純樸熱情，培養(yǎng)了我的獨立精神和創(chuàng)造精神。正是阿勞中學，成為了孕育相對論的土壤”希爾伯特：沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了三、相對論的建立

光波是“以太”的彈性振動。以太相對于地球運動嗎？光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相對于地球有運動。邁克耳孫實驗（1881，1887）：沒有測出這一運動。1.光行差現(xiàn)象2.邁克爾遜實驗c+vc-v邁克爾遜沒有觀測到以太漂移

矛盾第二朵烏云：實驗光行差現(xiàn)象洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換（速度疊加的平行四邊形法則）3.伽利略變換（任意兩個慣性系間的相對變換）伽利略變換下的速度迭加（平行四邊形法則）麥克斯韋理論在伽利略變換下會變化從伽利略變換推不出洛侖茲收縮伽利略變換矛盾電磁理論

洛侖茲收縮4.洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換（洛倫茲的解釋）用洛倫茲變換①可推出洛倫茲收縮②麥克斯韋電磁理論不變代價是放棄了“相對性原理”5.愛因斯坦的探索愛因斯坦贊同馬赫對牛頓絕對時空觀的批評（《力學史評》）“相對性原理”是一條根本性原理，應(yīng)當堅持從“斐佐實驗”與“光行差現(xiàn)象”的矛盾，愛因斯坦認識到應(yīng)該放棄以太理論從雙星軌道不發(fā)生形變知道光速與光源運動無關(guān)認識到光速的絕對性，推出“光速不變原理”雙星軌道不變形麥克斯韋理論中電磁波速（光速）是常數(shù)c 支持光速不變原理（光速的絕對性）6.愛因斯坦的新理論相對性原理光速不變原理洛倫茲變換（愛因斯坦的解釋）愛因斯坦：不存在絕對空間，一切運動都是相對的洛倫茲變換是任意兩個慣性系之間的相對變換

是相對速度洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，給愛因斯坦的理論起了個名字：相對論相對論認為“同時”是相對的（早已認識到“同地”是相對的）動鐘變慢：時間是相對的動尺收縮：

空間是相對的質(zhì)能關(guān)系：四.狹義相對論兩個作相對運動的慣性系洛倫茲變換（1）逆變換（2）1.同時的相對性2.動鐘變慢對S系，A是動鐘，A靜置于S’系中，從（4）式得對S’系，B是動鐘，B靜置于S系中，從（3）式得，

（6）3.動尺收縮在慣性系中靜止的，長度的尺，在系中同時測量其兩端（即系中的時間與分別為測量尺的前后兩端的時刻，由于同時測尺的兩端，所以），從（1）式推出的

得到長度（7）4.速度迭加

（8）

注意：從上式可知，通過速度迭加不可能超光速5.靜質(zhì)量與動質(zhì)量（9）6.質(zhì)能關(guān)系（10）（11）質(zhì)量與能量是同一事物的兩個側(cè)面，不是質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化7.經(jīng)典力學的動能（12）經(jīng)典物理中的動能（13）8.世界線四維時空中的世界線（14）9.固有時（14）式中當時，稱（15）為固有時，當不為0時

（16）其中“固有時”就是質(zhì)點（觀測者）世界線的長度，也就是質(zhì)點（觀測者）自身經(jīng)歷的時間10.雙生子佯謬雙生子佯謬

（17）（18）

愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅持相對性原理（2）認識到光速是絕對的（3）時間能量

空間動量究竟是誰創(chuàng)建了相對論？1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902龐卡萊（彭加勒）否認絕對空間，絕對時間（但仍承認有以太）批評相對于絕對空間的動尺收縮假設(shè)，認為“相對性原理”適用于電磁理論1904洛倫茲部分接受龐卡萊批評提出地方時間

（非真實時間）給出洛倫茲變換（1887佛格特，1898拉摩）

電子質(zhì)量公式

1904龐卡萊·正確表述“相對性原理”·提到用光信號對鐘，但認為得到的是地方時間，不是真實