第1讲从爱因斯坦到霍金课件.ppt

1、改变世界的物理学赵 峥北京师范大学物理系2009年9月从爱因斯坦到霍金的宇宙从爱因斯坦到霍金的宇宙赵赵 峥峥北京师范大学物理系北京师范大学物理系2011年年10月月2013年年3月修改月修改第一讲第一讲爱因斯坦爱因斯坦和和量子论与相对论的诞生量子论与相对论的诞生一、物理学的开端一、物理学的开端二、爱因斯坦的丰收年二、爱因斯坦的丰收年三、相对论的建立三、相对论的建立四、狭义相对论四、狭义相对论物理学（物理学（Physics）这个词起源于亚历士多德）这个词起源于亚历士多德公元前公元前300多年，古希腊多年，古希腊苏格拉底苏格拉底柏拉图亚历士多德一、物理学的开端原天地之美，原天地之美，而达万物之理。

2、而达万物之理。庄子庄子（与诸生歌于天泉桥）（与诸生歌于天泉桥）其一其一万里中秋月正晴，万里中秋月正晴，四山云霭忽然生。四山云霭忽然生。须臾浊雾随风散，须臾浊雾随风散，依旧青天此月明。依旧青天此月明。肯信良知原不昧，肯信良知原不昧，从他外物岂能撄。从他外物岂能撄。老夫今夜狂歌发，老夫今夜狂歌发，化作钧天满太清。化作钧天满太清。王阳明王阳明月夜二首月夜二首其二其二处处中秋此月明，处处中秋此月明，不知何处亦群英。不知何处亦群英。须怜绝学经千载，须怜绝学经千载，莫负男儿过一生。莫负男儿过一生。影响尚疑朱仲晦，影响尚疑朱仲晦，支离羞作郑康成。支离羞作郑康成。铿然舍瑟春风里，铿然舍瑟春风里，点也虽狂得我情

3、。点也虽狂得我情。注：注：霭（霭（i）昧（）昧（mi）撄（）撄（yng）关于探究式学习关于探究式学习*西方的洋学堂西方的洋学堂*中国的书院中国的书院 细推物理须行乐，何用浮名绊此生。细推物理须行乐，何用浮名绊此生。杜甫杜甫物含妙理总堪寻物含妙理总堪寻 乾隆题颐和园宝云阁乾隆题颐和园宝云阁 （境自远尘皆入咏）（境自远尘皆入咏）阿基米德阿基米德（亚历山大科学院，前（亚历山大科学院，前287-前前212年）年）浮力定律浮力定律 杠杆原理杠杆原理 “给我支点，我可以撬动地球！给我支点，我可以撬动地球！”重心的概念重心的概念1564年年 米开朗基罗逝世米开朗基罗逝世 莎士比亚、伽利略莎士比亚、伽利略 出

4、生出生 “物理学物理学”真正开始于真正开始于伽利略伽利略他使物理学成为一门他使物理学成为一门“实验的科学实验的科学”、“测量的科学测量的科学”（彭加勒：凡是不能测量的东西都不能（彭加勒：凡是不能测量的东西都不能算是自然科学）算是自然科学）伽利略伽利略J惯性定律惯性定律J相对性原理相对性原理J自由落体定律自由落体定律惯性定律惯性定律虚空中运动的原子，由于没有阻虚空中运动的原子，由于没有阻力，将一直等速运动下去力，将一直等速运动下去（公元前（公元前400年左右，德谟克利特等古希年左右，德谟克利特等古希腊哲学家）腊哲学家）亚里士多德：力是维持物体运动的原因亚里士多德：力是维持物体运动的原因 伽利略斜

5、面实验：维持运动不需要力伽利略斜面实验：维持运动不需要力重申了惯性定律重申了惯性定律伽利略的斜面实验相对性原理相对性原理 地恒动而人不知，譬如闭舟地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。而行不觉舟之运也。汉汉尚书纬尚书纬考灵曜考灵曜伽利略 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话（1632年）两门新科学（1638年）自由落体定律自由落体定律比萨斜塔上的自由落体实比萨斜塔上的自由落体实验验伽利略的斜面实验斜面运动是“减缓了的”或“冲淡了的”自由落体运动。斜面实验斜面实验惯性定律惯性定律自由落体定律自由落体定律熟能生巧，举一反三熟能生巧，举一反三1642年（对物理学重要的一年）年（对物理学重要的一年

6、）1642.1.8 伽利略逝世伽利略逝世 1642的圣诞节之夜的圣诞节之夜 牛顿出生牛顿出生（儒略历（儒略历1642.12.25格利高里历格利高里历1643.1.4）（1644年李自成进京，清军入关）年李自成进京，清军入关）天主教国家（拉丁语系天主教国家（拉丁语系：意、法、西、葡、拉美）：意、法、西、葡、拉美）先用新历先用新历基督教国家（日耳曼语系：英、德、荷、美）基督教国家（日耳曼语系：英、德、荷、美）后用新历后用新历东正教国家（斯拉夫语系：俄、白、乌）东正教国家（斯拉夫语系：俄、白、乌）十月革命后才用新历十月革命后才用新历牛顿集经典力学之大成牛顿集经典力学之大成 自然哲学的数学原理自然哲学

7、的数学原理（45岁）岁）光学光学 （65岁）岁）牛顿的物理体系牛顿的物理体系 绝对时间绝对时间 绝对空间绝对空间 惯性系惯性系 相对性原理相对性原理 力学三定律力学三定律 万有引力定律万有引力定律自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中上帝说，上帝说，让牛顿去吧，让牛顿去吧，于是一切成为光明。于是一切成为光明。波普波普光学光学 牛顿的微粒说战胜惠更斯的波动说牛顿的微粒说战胜惠更斯的波动说（波动说：笛卡尔、胡克、惠更斯）（波动说：笛卡尔、胡克、惠更斯）1801年，托马斯年，托马斯杨的干涉实验杨的干涉实验 波动说战胜微粒说波动说战胜微粒说 英国人托马斯杨（Thomas Yo

8、ung）是历史上有名的神童、才子，2岁就能读书，4岁时将圣经通读了2遍，他14岁时已通晓拉丁、希腊、法、意、希伯来、波斯和阿拉伯等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等领域都有贡献。托马斯杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。此后他又破译了埃及的拉希德石碑上的一些文字，对考古学做出了重大贡献。法国人商博良（另一位神童）在此基础上进一步努力，终于完全破译了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的历史学基础。波动光学波动光学 光既是波动就应有载体光既是波动就应有载体 亚历士多德

9、亚历士多德 月上世界月上世界 月下世界月下世界 波动光学波动光学光是以太的弹性振动光是以太的弹性振动电磁学电磁学 光波是电磁波光波是电磁波 麦克斯韦从介质的弹性振动导出了麦克斯韦从介质的弹性振动导出了电磁学的基本方程组电磁学的基本方程组热学热学 热力学第一定律（能量守恒）。迈尔，焦耳，亥姆霍兹热力学第一定律（能量守恒）。迈尔，焦耳，亥姆霍兹 热力学第二定律（卡诺定理）。卡诺，克劳修斯热力学第二定律（卡诺定理）。卡诺，克劳修斯卡诺从热质说卡诺从热质说“导出导出”了卡诺定理了卡诺定理 热力学第三定律。能斯特热力学第三定律。能斯特 热力学第零定律热力学第零定律二、二、爱因斯坦的丰收年爱因斯坦的丰收年

10、 1900，开尔文勋爵：，开尔文勋爵：物理学的大厦已经建成，未来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，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另一朵与迈克尔逊实验有关。黑体辐射迈克耳孙实验量子论（1900年）相对论（1905年）黑体辐射黑体辐射维恩位移定律：维恩位移定律：量子论的诞生量子论的诞生量子论量子论 光子论光子论爱因斯坦解释光电效应爱因斯坦解释光电效应1905爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（）1879.3.14 诞生于德国乌尔姆诞生于德

11、国乌尔姆 中，小学时代中，小学时代 德国慕尼黑德国慕尼黑 1895-1896 瑞士阿劳中学一年瑞士阿劳中学一年 1896-1900 苏黎士工业大学学习苏黎士工业大学学习 1900-1902 艰辛求职，四面碰壁艰辛求职，四面碰壁 1902-1909 伯尔尼发明专利局工作伯尔尼发明专利局工作 初期科研情况：初期科研情况：1901-1篇论文篇论文 1902-2篇论文篇论文 1903-1篇论文篇论文 1904-1篇论文篇论文 （“奥林匹亚科学院奥林匹亚科学院”）爱因斯坦的丰收年爱因斯坦的丰收年1905-5篇篇 3月月 解释光电效应解释光电效应光子说（光子说（6月发表）月发表）4月月 博士论文：测定分子

12、大小的新博士论文：测定分子大小的新 方法（方法（4月提交）月提交）5月月 解释布朗运动（解释布朗运动（7月发表）月发表）6月月 “论运动物体的电动力论运动物体的电动力学学”狭义相对论（狭义相对论（9月发月发表）表）9月月 （11月发表）月发表）2Emc爱因斯坦生平（爱因斯坦生平（）1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布拉格等地）进入大学工作（苏黎士，布拉格等地）1914-1933 柏林大学教授，柏林大学教授，德国物理研究所所长德国物理研究所所长、院士院士1915 提出广义相对论提出广义相对论1933-1955 美国普林斯顿高级研究所研究员美国普林斯顿高级研究所研究员1955年年4月月18

13、日日 逝世逝世 两次婚姻 米列娃对爱因斯坦的帮助 讨论、通信、署名希尔伯特：希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了更适合的工作单位了 爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中除了在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。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：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

14、孕育相对论的土壤是阿劳中学，成为了孕育相对论的土壤”（在阿劳中学在阿劳中学16岁的爱因斯坦曾经思考岁的爱因斯坦曾经思考“追光悖论追光悖论”）三、相对论的建立三、相对论的建立 光波是光波是“以太以太”的弹性振动。的弹性振动。以太相对于地球运动吗？以太相对于地球运动吗？光行差现象（光行差现象（1728，1810）：）：以太相对于地球有运动。以太相对于地球有运动。迈克耳孙实验（迈克耳孙实验（1881，1887）：）：没有测出这一运动。没有测出这一运动。1.光行差现象2.迈克耳孙实验)(22222cvclvclvclvcltoooocvc+vc-vv以太运动方向迈克耳孙没有观测到以太漂移 矛盾 第二朵

15、乌云：麦克耳孙实验 光行差现象 光行差：以太相对地球运动，有漂移，似乎运动介质（地球）不带动以太 迈克耳孙实验：以太相对地球静止，无漂移，似乎运动介质（地球）带动了以太洛伦兹的解释：洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：洛伦兹收缩：220/1cvll0222vclvclvcltox=x-vty=yz=zt=t伽利略变换伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）（速度叠加的平行四边形法则）3.伽利略变换（任意两个惯性系间的相对变换）麦克斯韦理论在伽利略变换下会变化 从伽利略变换推不出洛仑兹收缩 伽利略变换 矛盾 电磁理论 洛仑兹收缩22222/1/)/(/1/)(

16、cvcvxttzzyycvvtxx4.洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换（洛伦兹的解释）用洛伦兹变换 可推出洛伦兹收缩 麦克斯韦电磁理论不变代价是放弃了代价是放弃了“相对性原理相对性原理”5.爱因斯坦的探索 爱因斯坦赞同马赫对牛顿绝对时空观的批评（力学史评）“相对性原理”是一条根本性原理，应当坚持 从“斐佐实验”与“光行差现象”的矛盾，爱因斯坦认识到应该放弃以太理论从双星轨道不发生形变知道光速与光源运动无关认识到光速的绝对性，提出“光速不变原理”双星轨道不变形麦克斯韦理论中电磁波速（光速）是常数c追光悖论 支持 光速不变原理（光速的绝对性）伽利略变换下的速度迭加（平行四边形法则）d xd xv

17、d td xvd td td tuuvuuvucccv 即若是 光 速，则上述速度叠加（平行四边形）法则与光速不变原理矛盾上述速度叠加（平行四边形）法则与光速不变原理矛盾即伽利略变换与光速不变原理矛盾即伽利略变换与光速不变原理矛盾1905年与贝索的讨论突然意识到：时间不是绝对的，“同时”的定义依赖于对信号传播速度的约定（规定）。6.爱因斯坦的新理论爱因斯坦的新理论相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理洛伦兹变换（爱因斯坦的解释）J爱因斯坦：不存在绝对空间，一切运动都是相对的J洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的相对变换J 是相对速度v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

18、对论认为u“同时”是相对的（早已认识到“同地”是相对的）动钟变慢：时间是相对的动尺收缩：空间是相对的u质能关系：2mcE 22/1/cvdtdT220/1/cvll四.狭义相对论两个作相对运动的惯性系yxxyvc0SS洛伦兹变换 （1）./1,/122222cvxcvttzzyycvvtxx逆变换 （2）./1,/122222cvxcvttzzyycvt vxx1.同时的相对性21212122221(,)1000dtttdtttdxxxvdtdxcdtvcdxxxdtdt从（1）式得，（3）若，当时2221000vdtdxcdtvcdxdtdt从（2）式得，（4）若，当时 2.动钟变慢对S系，

19、A是动钟，A静置于S系中，从（4）式得22/1/(5)dtdtv c ABSSdxo对S系，B是动钟，B静置于S系中，从（3）式得，（6）0dx 22/1/dtdtvc3.动尺收缩在惯性系 中静止的，长度 的尺，在 系中同时测量其两端（即 系中的时间 与 分别为测量尺的前后两端的时刻，由于同时测尺的两端，所以 ），从（1）式推出的 0lx S112,0 tttt2t21tt SS221cvtvxx得到长度 （7）2202211cvlcvxxl21/u vuuv c4.速度迭加 （8）注意：从上式可知，通过速度迭加不可能超光速0.90.9945uvcuc5.静质量与动质量 （9）2201cvmm

20、（和和m 是否都是质量？）是否都是质量？）0m6.质能关系 （10）（11）质量与能量是同一事物的两个侧面，不是质量与能量相互转化2mcE 200cmE 7.经典力学的动能 （12）经典物理中的动能 （13）2402022202028321)111(cvmvmcvcmcmmcT2021vmT 8.世界线四维时空中的世界线 （14）txyABCdsdsds2222dzdydxdl222222dzdydxdtcds9.固有时（14）式中 当 时，称 （15）为固有时，当 不为0时 （16）其中0dxdydz222dtcdscdsiddxdydz、dtcvd22/12222)()()(dtdzdtd

21、ydtdxv“固有时”就是质点（观测者）世界线的长度，也就是质点（观测者）自身经历的时间10.双生子佯谬A ABpqtx双双生生子子佯佯谬谬2222222dxc1-dtd dydxds伪欧时空欧几里德空间双生子佯谬 （17）（18）pqpqqpAttdtdpqqpqpBttdtcvd221 比邻星距地球4.3光年，以3g加速到25万公里/秒，然后自由飞行，再以3g减速到比邻星，然后以同样方式返回。火箭上火箭上7年，地球上年，地球上12年年 到银河系中心旅行往返均以2g加速 火箭上火箭上40年，地球上年，地球上6万年万年 是否能得出相反的结论？是否能得出相反的结论？（火箭上的人看来，地球相对自己

22、加速，是否可以得出地球上的钟比火箭上的钟慢的相反结论？）答案：不行！答案：不行！三维加速度是相对的，三维加速度是相对的，四维加速度是绝对的四维加速度是绝对的。爱因斯坦的创新之处：爱因斯坦的创新之处：（1）坚持相对性原理（抛弃绝对空间和坚持相对性原理（抛弃绝对空间和以太）以太）（2）认识到光速是绝对的）认识到光速是绝对的（3）时间）时间 能量能量 空间空间 动量动量究竟是谁创建了相对论？究竟是谁创建了相对论？1892 洛伦兹斐兹杰惹收缩洛伦兹斐兹杰惹收缩 （1892）（1889，1893）1902 庞加莱（彭加勒）否认绝对空间，庞加莱（彭加勒）否认绝对空间，绝对时间绝对时间 （但仍承认有以太）（

23、但仍承认有以太）批评相对于绝对空间的动尺收缩假批评相对于绝对空间的动尺收缩假设，设，认为认为“相对性原理相对性原理”适用于电磁理适用于电磁理论论220/cv1/ll1904 洛伦兹部分接受庞加莱批评洛伦兹部分接受庞加莱批评 提出地方时间提出地方时间（非真实时间）（非真实时间）给出洛伦兹变换给出洛伦兹变换（1887 佛格特；佛格特；1898 拉摩；拉摩；斐兹杰惹斐兹杰惹）给出电子质量公式给出电子质量公式（1904年）年）220cv-1mm 222cv-1xcv-tt 1904 庞加莱庞加莱 正确表述正确表述“相对性原理相对性原理”推测真空中光速推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；是常数，且

24、可能是极限速度；提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，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。不是真实时间。仍认为存在以太，实际上承认以太就是承认绝仍认为存在以太，实际上承认以太就是承认绝对空间。对空间。1905 爱因斯坦发表相对论爱因斯坦发表相对论 （论运动物体的电动力学）（论运动物体的电动力学）只有他认识到只有他认识到（1）坚持）坚持“相对性原理相对性原理”必须彻底抛弃绝对必须彻底抛弃绝对空间（包括以太）空间（包括以太）（2）坚持坚持“光速不变原理光速不变原理”必必 须彻底抛弃绝对时间（抛弃同时的绝对性）须彻底抛弃绝对时间（抛弃同时的绝对性）“同时概念同时概念”是相对的

25、是相对的 （可以通过约定光速来对钟，定义（可以通过约定光速来对钟，定义“同时同时”）（3）新理论是一个时空理论）新理论是一个时空理论爱因斯坦认为相对论与牛顿物理学的分水岭不是相对性爱因斯坦认为相对论与牛顿物理学的分水岭不是相对性原理而是光速不变原理。原理而是光速不变原理。洛伦兹曾反对爱因斯坦的相对论 庞加莱从来没有对“相对论”表示过赞同，他对爱因斯坦作过如下评价：“爱因斯坦先生是我所知道的最有创造思想的人物之一，尽管他还很年轻，但已经在当代第一流科学家中享有崇高的地位。不过，我想说，并不是他的所有期待都能在实验可能的时候经得住检验。相反，因为他在不同方向上摸索，我们应该想到他所走的路，大多数都

26、是死胡同；不过，我们同时也应该希望，他所指出的方向中会有一个是正确的，这就足够了。”爱因斯坦认为：庞加莱根本不懂相对论！马赫、洛伦兹、庞加莱等许多人为相对论的建立作了大量准备工作，但相对论的创造者只有一个人：爱因斯坦。杨振宁教授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，不从哲学角度考虑论，不从哲学角度考虑庞加莱只有远距离眼光，没有近距离眼光庞加莱只有远距离眼光，没有近距离眼光庞加莱只从哲学和数学的角度来考查问题庞加莱只从哲学和数学的角度来考查问题,不从实验和不从实验和测量的角度考查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，既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥奥林匹亚学院林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，庞加莱是哲学型的，爱因斯坦是物洛伦兹是技术型的，庞加莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。理型的。谢谢！