愛(ài)因斯坦與國(guó)際物理年

愛(ài)因斯坦與國(guó)際物理年第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、2005—世界物理年（一）全球緬懷愛(ài)因斯坦

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1905年，年僅26歲的愛(ài)因斯坦發(fā)表了有關(guān)量子理論、狹義相對(duì)論和布朗運(yùn)動(dòng)等方面的5篇論文，從根本上改變了人類看世界的方式。為紀(jì)念物理學(xué)上的這一“奇跡年”，聯(lián)合國(guó)教科文組織將2005年定為“世界物理年”。

第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日該倡議首先由歐洲物理學(xué)會(huì)（EPS）在2000年“第三屆世界物理學(xué)會(huì)年會(huì)”上提出；2002年，得到國(guó)際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）第24次全體大會(huì)的一致通過(guò)；在2003年召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）全體會(huì)議第32次會(huì)議上，表決通過(guò)了支持2005年為世界物理年的決議；2004年6月10日，聯(lián)合國(guó)大會(huì)召開(kāi)第58次會(huì)議，會(huì)議鼓掌通過(guò)了2005年為“國(guó)際物理年”的決議。第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日今年是“愛(ài)因斯坦”年。我們紀(jì)念他，不僅是因?yàn)?00年前他提出了著名的狹義相對(duì)論，更是他那可貴的創(chuàng)新精神。

紅色代表過(guò)去,藍(lán)色代表未來(lái),黃色和綠色表示連結(jié)過(guò)去到未來(lái),要從過(guò)去的基礎(chǔ)中建設(shè)未來(lái),綠色代表進(jìn)步、進(jìn)展黃色代表和平及團(tuán)隊(duì)合作,科技的進(jìn)步和國(guó)際的合作可以幫助建設(shè)光明的未來(lái)第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2005世界物理年的標(biāo)識(shí)象征的是光錐；然而大部分的人可能從來(lái)沒(méi)聽(tīng)過(guò)光錐這個(gè)名詞，反而看成是沙漏，象征著愛(ài)因斯坦在時(shí)間相對(duì)性上淵博的見(jiàn)解及洞察力。至于標(biāo)識(shí)的配色，或許只是裝飾性的，但卻有另一種不同的見(jiàn)解認(rèn)為，在光錐的解釋上，未來(lái)是藍(lán)色的因?yàn)槲覀冋磥?lái)不斷的奔馳前進(jìn)，所以也由此呈現(xiàn)藍(lán)色循環(huán)。至于紅色循環(huán)代表的是我們所逐漸遠(yuǎn)離的過(guò)去；黃色及綠色的斜向線條則表示將過(guò)去連結(jié)至未來(lái)。綠色在這里代表的意思是前進(jìn)、進(jìn)步；黃色則表示和平、合作及團(tuán)隊(duì)等意思。也就是說(shuō)我們要藉由這些特質(zhì)從過(guò)去的基礎(chǔ)上去建設(shè)未來(lái)；藉由科技的進(jìn)步及國(guó)際間的合作創(chuàng)造出明亮的未來(lái)。第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）主題：

近年來(lái)，公眾的物理意識(shí)在削弱，國(guó)際物理社會(huì)認(rèn)為必須采取行動(dòng)，在“2005—世界物理年”通過(guò)展示物理在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、文化等方面的重要作用，在全球范圍內(nèi)爭(zhēng)取公眾對(duì)物理學(xué)的理解與支持，堅(jiān)定公眾對(duì)物理學(xué)的信念，推動(dòng)物理教育，培養(yǎng)物理人才，使物理學(xué)在21世紀(jì)得到全新的發(fā)展。

第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日把2005年作為國(guó)際物理年有三個(gè)意義，紀(jì)念愛(ài)因斯坦，為物理學(xué)吸引人才，以及喚起社會(huì)對(duì)物理學(xué)的關(guān)注。第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日全球性的紀(jì)念活動(dòng)包括：“物理照耀世界”光束傳遞活動(dòng)；“尋找物理天才”；“物理史圖片巡回展”等。中國(guó)物理學(xué)會(huì)也在積極籌備紀(jì)念活動(dòng)，如：制作宣傳海報(bào)；推薦優(yōu)秀圖書；組織“世界物理年”專題論壇；組織“物理與交叉科學(xué)專題研討會(huì)”；組織知識(shí)競(jìng)賽及夏令營(yíng)；發(fā)行郵資封等。第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日今年美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月18日，光信號(hào)將從愛(ài)因斯坦工作過(guò)的美國(guó)普林斯頓發(fā)出，通過(guò)大洋光纜在24小時(shí)內(nèi)周游地球。這個(gè)活動(dòng)被命名為“物理照耀世界”。按目前計(jì)劃，由美國(guó)傳來(lái)的光信號(hào)首先在上海登陸，然后中國(guó)每個(gè)省、市、自治區(qū)都會(huì)依次行動(dòng)起來(lái)。在北京時(shí)間4月19日晚7時(shí)，每個(gè)地區(qū)都會(huì)組織青年學(xué)生，讓他們每隔幾十米站一人，組成綿延數(shù)公里的人鏈，然后光信號(hào)從人鏈的一端開(kāi)始，通過(guò)學(xué)生的手電筒、激光教鞭或其它發(fā)光物，一個(gè)人接一個(gè)人傳下去。當(dāng)一個(gè)地區(qū)完成光的接力后，最后一人就會(huì)通過(guò)電子郵件、電話、手機(jī)等，向下一地區(qū)發(fā)去信息和圖片，通知他們繼續(xù)接力。最終，傳入我國(guó)的光信號(hào)將分別向俄羅斯和印度方向傳去。第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、認(rèn)識(shí)愛(ài)因斯坦：（一）生平：1879年，阿伯特·愛(ài)因斯坦出生在德國(guó)西南部古城烏耳姆的一個(gè)猶太人家庭。1880年，他隨全家搬到慕尼黑，就在那里渡過(guò)了他的童年生活。1889年，愛(ài)因斯坦進(jìn)入慕尼黑教會(huì)中學(xué)讀書。第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1894年，由于中學(xué)的成績(jī)除數(shù)學(xué)優(yōu)秀之外，其它學(xué)科均屬低下，遭到了退學(xué)處分

1895年去蘇黎世投考瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，但未被取錄，只得轉(zhuǎn)學(xué)到一間中學(xué)。

1896年他考進(jìn)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系學(xué)習(xí)物理學(xué)。1900年畢業(yè)，由于學(xué)業(yè)成績(jī)并不突出，他找不到一個(gè)教職。1902年，愛(ài)因斯坦終于在伯爾尼找到了聯(lián)邦專利局審查員的職務(wù)。此時(shí)他利用工余時(shí)間繼續(xù)自修理論物理。

第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1905年，二十六歲的愛(ài)因斯坦共發(fā)表了四篇在物理學(xué)各領(lǐng)域中最富有創(chuàng)造性的偉大論文?！斗肿芋w積的新測(cè)定方法》(有關(guān)布朗運(yùn)動(dòng))一文使他獲得蘇黎世大學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位，而《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》(有關(guān)光電效應(yīng))一文更使他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

其余的兩篇?jiǎng)?chuàng)立了狹義相對(duì)論，后人認(rèn)為這是他對(duì)物理學(xué)最重要的貢獻(xiàn)。

1913年，普朗克和能斯特代表普魯士科學(xué)院邀請(qǐng)愛(ài)因斯坦回德國(guó)工作。

第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1914年，他擔(dān)任威廉大帝物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。這個(gè)教職給予了愛(ài)因斯坦經(jīng)濟(jì)上的支持，使他能夠全時(shí)間從事研究工作。

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》，這是關(guān)于廣義相對(duì)論的第一篇完整的論文，也是對(duì)這項(xiàng)工作的總結(jié)。

1933年因受納粹德國(guó)的迫害，愛(ài)因斯坦遷居美國(guó)，任普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究院教授。

1940年取得美國(guó)國(guó)籍。1955年病逝普林斯頓。

第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）相對(duì)論簡(jiǎn)介：1.經(jīng)典時(shí)空觀（1）重要概念：①參照系：描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，被用來(lái)當(dāng)作參照物的物體。②運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性：同一物體的運(yùn)動(dòng)，選用不同的參照系去描述時(shí)是不同的，這就是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性。③慣性參照系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參照系。實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)于慣性參照系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）伽利略力學(xué)相對(duì)性原理：在任何一個(gè)慣性參照系中，都不可能通過(guò)任何的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，來(lái)確定這個(gè)參照系是處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；蛘哒f(shuō)，力學(xué)定律在所有的慣性參照系中都是等價(jià)的，具體相同的形式。（3）絕對(duì)時(shí)間：存在于物質(zhì)之外均勻流逝，與空間沒(méi)有任何的關(guān)系；而具體的時(shí)間計(jì)量，如分，秒等只是相對(duì)的時(shí)間。第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）絕對(duì)空間：也與物質(zhì)無(wú)關(guān)，是均勻、恒定不動(dòng)，且能容納物體及其運(yùn)動(dòng)的大容器；具體的空間計(jì)量則是相對(duì)空間。（5）經(jīng)典的時(shí)空觀=絕對(duì)時(shí)間+絕對(duì)空間+伽利略力學(xué)相對(duì)性原理。2.電磁現(xiàn)象及相對(duì)性：“伽利略航船”→“以太”→邁克爾遜---莫雷實(shí)驗(yàn)→光速不變?cè)恚涸诓煌?、相?duì)作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系中，測(cè)得的光速同傳播方向無(wú)關(guān)。第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日。第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.狹義相對(duì)論及其時(shí)空觀：（1）狹義相對(duì)論的基本假設(shè)是：①質(zhì)量和速度的關(guān)系：②光速不變?cè)恚赫婵罩泄獾膫鞑ニ俣仍诟鱾€(gè)方向都是相同的，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。（2）極限速度與超光速現(xiàn)象：

①光速的極限性

②超光速現(xiàn)象：如探照燈現(xiàn)象等。第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日③質(zhì)能關(guān)系：

質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的?；蛘哒f(shuō)，物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)存在著不可分割的聯(lián)系。4.廣義相對(duì)論及其時(shí)空觀

（1）狹義相對(duì)論與萬(wàn)有引力定律的矛盾

萬(wàn)有引力定律：萬(wàn)有引力是一種“超距”作用-----產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的；

狹義相對(duì)論：光速是傳播速度的極限。第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）

厄缶的實(shí)驗(yàn)：證明慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的。其中，慣性質(zhì)量是指出現(xiàn)在牛頓第二定律中，表示“慣性的大小”，記作mI

引力質(zhì)量則是牛頓引力定律

中的質(zhì)量，記作mG

行星作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，有第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（3）

愛(ài)因斯坦的啟發(fā)

結(jié)論1：光線在引力場(chǎng)中受到引力場(chǎng)的影響而“走彎路”；

第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日結(jié)論2：光波在引力場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì)改變它的頻率，使光譜線的位置產(chǎn)生移動(dòng)----引力紅移。愛(ài)因斯坦設(shè)想，萬(wàn)有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)。第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）

廣義相對(duì)論的基本思想：

物質(zhì)在其周圍激發(fā)引力場(chǎng)，這個(gè)引力場(chǎng)則反過(guò)來(lái)作用于其中的物質(zhì)，而引力場(chǎng)就是時(shí)間的彎曲。空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動(dòng)量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過(guò)來(lái)決定物體的運(yùn)行軌道。在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對(duì)論的結(jié)論同牛頓萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的情況下，就有區(qū)別。

第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（三）相對(duì)論帶來(lái)的重大發(fā)現(xiàn)

（1）時(shí)間旅行

（2）原子裂變

（3）宇宙大爆炸和宇宙常數(shù)——暗能量

（4）黑洞大發(fā)現(xiàn)

第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日時(shí)間旅行狹義相對(duì)論證明高速旅行會(huì)使時(shí)間變慢，假定將來(lái)的某個(gè)時(shí)候，我們已解決了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以接近于光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時(shí)間旅行就變成可能了。

第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日時(shí)間機(jī)器模型：蟲洞

蟲洞是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管，它可以把未來(lái)的宇宙和現(xiàn)在的宇宙連接起來(lái)，并提供時(shí)間旅行的可能性廣義相對(duì)論表明，時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的地方這兩點(diǎn)之間鑿出一個(gè)蟲洞，然后用某種“奇異物質(zhì)”把洞口撐開(kāi)，使之成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們?cè)谒查g到達(dá)遙遠(yuǎn)的另外一個(gè)時(shí)空。第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

關(guān)于蟲洞能不能夠建成，還有許多細(xì)節(jié)的問(wèn)題，這只是一個(gè)理想的模型。還有即使形成了一個(gè)蟲洞，它是否穩(wěn)定？很小的擾動(dòng)（包括你嘗試穿過(guò)它的擾動(dòng)）會(huì)不會(huì)導(dǎo)致它坍塌？這些都是科學(xué)家們?cè)跓崃矣懻摰膯?wèn)題！

第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日原子裂變愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2表明能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即能量是質(zhì)量的900萬(wàn)倍。

那么指甲蓋般大小的物質(zhì)的質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是用以幾萬(wàn)噸煤炭來(lái)計(jì)算的。第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

遺憾的是，沒(méi)人能隨便減少質(zhì)量，譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細(xì)地收集這些碎末后就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化。第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在1939年，約里奧·居里、費(fèi)米、西拉德這三位科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核受到中子轟擊就會(huì)發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的新原子核，放出1～3個(gè)中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。后來(lái)人們據(jù)此制造出了原子彈。

第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1945年人類第一顆原子彈在美國(guó)爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷史上最殘酷的懲罰，幾十萬(wàn)人死傷，其中一部分人瞬間還被還原成基本粒子，真成了魂飛魄散。E=mc2在給人間帶來(lái)希望之前，帶來(lái)的先是致命的創(chuàng)傷，這一切對(duì)于深愛(ài)和平的愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛心不已。第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日宇宙大爆炸和暗能量物理學(xué)最大的研究對(duì)象是宇宙。宇宙是時(shí)空和一切物質(zhì)的總和，我們所研究的是我們可以觀察到的宇宙。我們生活在銀河系。第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1917年，愛(ài)因斯坦試圖根據(jù)廣義相對(duì)論方程推導(dǎo)出整個(gè)宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個(gè)只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個(gè)宇宙模型保持靜止，愛(ài)因斯坦在他的方程里額外增加了一個(gè)新的概念——宇宙常數(shù)，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)。這是一個(gè)假想的、用以抵消引力作用的力。第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日但是，1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。。

1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)模“放大”到無(wú)窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識(shí)和宇宙膨脹理論結(jié)合起來(lái)，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。

1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論——大爆炸理論。

第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。在爆炸發(fā)生之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了大爆炸。大爆炸使物質(zhì)四散開(kāi)來(lái)，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來(lái)相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過(guò)程中逐漸形成的第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個(gè)非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過(guò)溫度已降到6K左右。

1964年，美國(guó)貝爾電話公司年輕的工程師——彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算，得出這個(gè)殘余輻射的溫度是2.7K(比伽莫夫預(yù)言的溫度要低)，一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日暗能量1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴(kuò)張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越來(lái)越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開(kāi)來(lái)，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量”。

第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日近年