1、6.16.1 历史背景历史背景6.26.2 爱因斯坦创建狭义相对论的经过爱因斯坦创建狭义相对论的经过6.36.3 狭义相对论的遭遇和实验检验狭义相对论的遭遇和实验检验6.46.4 广义相对论的建立广义相对论的建立6.56.5 广义相对论的实验检验广义相对论的实验检验相对论会让相对论会让大家想到什么？大家想到什么？天上一日地下一年？宇宙航行时空穿梭热锅上的蚂蚁？相对论好象是相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它光彩夺目的火箭，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。光辉，照亮了广阔的未知领域。”德布罗意德布罗意6.16.1 历史背景历
2、史背景 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理电磁理论合乎逻辑的继续和发展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，是物理学各有关分支又一次综合的结果。结果。1919世纪后半叶，世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。1.1.牛顿力学时空观牛顿力学时空观 绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本
3、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。性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。牛顿牛顿 绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始绝对空间，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。终如一和静止不动的。牛顿牛顿2 2、迈克尔逊、迈克尔逊莫雷实验莫雷实验由于人们把由于人们把“以太以太”选作绝对静止的参照系，因此在选作绝对静止的参照系，因此在1919世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。18811881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到年，美国人迈尔耳逊设计了一
4、个实验，但是却得到“0”0”结结果。果。18871887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是仍然是“零结果零结果”。根据这一结果，。根据这一结果，“以太以太”显然是一厢情显然是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。迈克尔逊迈克尔逊 “以太以太”的概念最早出现在笛卡尔于的概念最早出现在笛卡尔于16441644年发表的年发表的哲学原理哲学原理一书中。按笛卡尔的观点，一书中。按笛卡尔的观点，“虚空虚空”是不可是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物
5、质，这种物质就是是“以太以太”。1717世纪，惠更斯也用了世纪，惠更斯也用了“以太以太”的说法。的说法。麦克斯韦也援用麦克斯韦也援用“以太以太”的概念。他把的概念。他把“以太以太”看成看成电磁场的物质基础电磁场的物质基础,认为电磁现象是认为电磁现象是“以太以太”运动的表现。运动的表现。3 3、真空中的光速、真空中的光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”c”应为一常数，应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。4 4、物理学家面临的选择、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，要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释
6、，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。要么彻底抛弃，建立新的理论。法国著名科学家庞加莱（法国著名科学家庞加莱（Henri Henri PoincarPoincar）对洛仑兹理论起过积极作用。）对洛仑兹理论起过积极作用。他在他在18951895年就对用长度收缩假说解释以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。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。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他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。程式。庞加莱提出相对性原理庞加莱提出相对性
7、原理亨利亨利.庞加莱庞加莱19041904年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：年庞加莱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。速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实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。验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞庞加莱还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简加莱还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框
8、架彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。6.26.2 爱因斯坦创建狭义相对论的经过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，爱因斯坦是德国人，有犹太血统，19001900年毕业于瑞士年毕业于瑞士苏黎世工业大学，苏黎世工业大学，19011901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在年入瑞士国籍，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，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，19051905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、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分子
9、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。其中提出了新的见解。其中论动体的电动力学论动体的电动力学一文更具有划一文更具有划时代的意义，文中时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论第一次提出了崭新的时间空间理论，一举，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，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，后来又叫简称相对论，后来又叫狭义相对论狭义相对论。一、走在爱因斯坦前面的人一、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
10、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年的著作庞加莱提出相对性原理 1879 1879年年3 3月月1414日生于德国乌尔姆一日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。个犹太人家庭。父亲是小商人，母亲父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，动脑筋，1212岁曾证明勾股定理。岁曾证明勾股定理。1896 1896年，爱因斯坦成为一个无国年，爱因斯坦成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大
11、学。大籍的人，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。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，迷恋于直接观察和实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。测量。二、爱因斯坦简介青年时期青年时期爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。康德的爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。
12、康德的纯粹理性批判纯粹理性批判，马赫的，马赫的力学史评力学史评都给了他深刻的影响。都给了他深刻的影响。19021902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成友组成“奥林比亚科学院奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒每晚聚在一起，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，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。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。19001900年年 苏黎世联邦工业大学师范系毕业。苏黎世联邦工业
13、大学师范系毕业。19021902年年 在瑞士联邦专利局工作在瑞士联邦专利局工作 19091909年年 离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。19111911年年 任布拉格德语大学理论物理学教授，任布拉格德语大学理论物理学教授，19121912年任母校苏年任母校苏黎世联邦工业大学教授。黎世联邦工业大学教授。19141914年，应能斯脱的邀请，回德国任威廉皇帝物理研究所所年，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，直到长兼柏林大学教授，直到19331933年。年。19141914年年 应洛伦兹和埃伦菲斯特的邀请，兼任荷兰莱顿大学特应洛
14、伦兹和埃伦菲斯特的邀请，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。他经过开的和地下的反战活动。他经过8 8年艰苦的探索年艰苦的探索,于于19151915年最后年最后建成了广义相对论。建成了广义相对论。19211921年年 获得诺贝尔物理奖。获得诺贝尔物理奖。19331933年年 受德国纳粹迫害移居美国，为普林斯顿研究所研究员。受德国纳粹迫害移居美国，为普林斯顿研究所研究员。19401940年加入美国国籍。年加入美国国籍。19551955年年4 4月月1818日去世。日去世。19001900
15、年，爱因斯坦大学毕业。年，爱因斯坦大学毕业。19011901年，他获得了瑞士国籍。年，他获得了瑞士国籍。1902 1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在年，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。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。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，在十年的探索过
16、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。特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，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。绝对参照系中以太的存在。三、狭义相对论的建立三、狭义相对论的建立 他阅读了许多著作发现，他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系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
17、有实际意义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？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。参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。1919世纪末，马世纪末，马赫在所著的赫在所著的发展中的力学发展中的力学中，批判了牛顿的绝对时空观，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。这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905 1905年年5 5月的一天，爱因斯坦
18、与一个朋友贝索讨论这个已探月的一天，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，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：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：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时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间没有绝对的定义，时间与光信号的速度
19、有一种不可分割的联系。系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯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。坦把狭义相对论呈现在人们面前。19051905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。早在早在1616岁（岁（18951895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度如果我以速度c c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到（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。可这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停
20、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。的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。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：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。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。不同
21、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：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。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。”爱因斯坦读到了洛仑兹爱因斯坦读到了洛仑兹18951895年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但
22、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，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。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
23、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。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，终于在经过十年的思考，终于在19051905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。他年的一天，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：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，但是却徒劳无整整一年的
24、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。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，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
25、次彻底地解决了这个难题。念，我第一次彻底地解决了这个难题。”爱因斯坦和洛伦兹在一起爱因斯坦和洛伦兹在一起不出五个星期，（不出五个星期，（19051905年年6 6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献文献论动体的电动力学论动体的电动力学，19051905年年9 9月发表在著名的德文杂志月发表在著名的德文杂志物理学年鉴物理学年鉴上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相上。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：起作为基
26、本出发点。他称之为两条公设，内容如下：“1.1.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）。一个并无关系，（相对性原理）。”“2.2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v v运动着，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）。不变原理）。”爱因斯坦不是像洛仑兹那样，爱因斯坦不
27、是像洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常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，立即推导出了变换公式之后，立即推导出了运动物体的运动物体的“长度收缩长度收缩”、运、运动时间的动时间的“时钟变慢时钟变慢”、同时同时性的相对性性的相对性以及以及新的速度合成新的速度合成法则法则等等，由此形成一套崭新等等，由此形成一套崭新的时空观。的时空观。爱因斯坦在爱因斯坦在论动体的电动力学论动体的电动力学一一文的最后，推导出了电子质量随速度变化文的最后，推导
28、出了电子质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速等于光速c c时动能变为无穷大的结果预言时动能变为无穷大的结果预言电子速度不可能大于光速。电子速度不可能大于光速。19051905年晚些时候，爱因斯坦又发表了年晚些时候，爱因斯坦又发表了一篇论文，题为一篇论文，题为物体的惯性同它所含的物体的惯性同它所含的能量有关吗？能量有关吗？，第一次提出了相对论的，第一次提出了相对论的质能转化关系。质能转化关系。“物体质量是它所包含的物体质量是它所包含的能量的量度。能量的量度。”“”“如果能量改变如果能量改变L L，则质，则质量也要同时改变量也要同时改变L/
29、L/（9 910102020）（即）（即L/cL/c2 2 ，这里用的是这里用的是CGSCGS单位）。单位）。”论动体的电动力学论动体的电动力学发表在发表在物理学年鉴物理学年鉴上上2、光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。1、相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系对运动的描述都是等效的。狭义相对论的基本内容狭义相对论的基本内容2)/(1cvvtxx系Syyzz22)/(1/cvcvxtt2)/(1cvvtxx系Syyzz22)/(1/cvcvxtt从这两个假设，从这两个假设，得出得出洛伦兹变换洛伦兹变换：狭义相对论引出的观念
30、的变化狭义相对论引出的观念的变化1 1、同时性的相对性、同时性的相对性在在S S系中不同地点同时发生的两个事系中不同地点同时发生的两个事件，在件，在SS系中不再是同时的了。系中不再是同时的了。A B A B 两个接收器同时收到光信号；两个接收器同时收到光信号；A A 先收到，先收到，B B 后收到。后收到。ABv vxyoxyo光源光速不变 列车上（列车上（SS系）系）地面上（地面上（S S系）系）狭义相对论引出的观念的变化狭义相对论引出的观念的变化2 2、长度收缩效应、长度收缩效应物理世界奇遇记物理世界奇遇记 伽莫夫伽莫夫狭义相对论引出的观念的变化狭义相对论引出的观念的变化2 2、长度收缩效
31、应、长度收缩效应假如速度无限接近于光速？思考 世界将会怎样？！狭义相对论引出的观念的变化狭义相对论引出的观念的变化3 3、时间延缓效应、时间延缓效应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。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。这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。在在19111911年年4 4月波隆哲学大会上，法国物理学家月波隆哲学大会上，法国物理学家P P朗之万朗之万用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
32、个乘坐火实验是这样的：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过了200200年了。这就是著名的双生子详谬。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。方。慢【例例】孪生子佯谬和孪生子效应孪生子佯谬和孪生子效应 假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁会更年轻呢？假如飞船返回地球兄弟相见，
33、到底谁会更年轻呢？.慢 问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬孪生子佯谬(twin paradox)。如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结
34、果是，相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为这种现象，被称为孪生子效应。孪生子效应。1971年，美国空军用两组年，美国空军用两组Cs(铯铯)原子钟做实验。原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了发现绕地球一周的运动钟变慢了 20310 ns，而按广，而按广义相对论预言运动钟变慢义相对论预言运动钟变慢 184 23 ns，在误差范围，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。质能方程质能方程质量能量转换方程质量能量转换方程 2cmE 经典物理中，质量和能量是两个完全不同的概念；经典物理中，质量和能
35、量是两个完全不同的概念；在狭义相对论中，质量和能量通过光速联系在一起在狭义相对论中，质量和能量通过光速联系在一起爱因斯坦指出：爱因斯坦指出：该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计该方程主要用来解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量算高能物理中粒子的能量为什么日常生活中觉察不到？高铁：300350km/h 100 m/s战斗机：1000 m/s洲际导弹：7000 m/s宇宙飞船：11.2 km/s离开银河系：1.20 x105m/s光速：3x108m/s远远大于日常所见的速度！相对论效应在日常生活的速度中是可以忽略不计的！四、爱因斯坦的研究特色四、爱因斯坦的研究特色:1.1.对经
36、典理论的大胆怀疑对经典理论的大胆怀疑经过十年的思索经过十年的思索,首先看破以太首先看破以太,并最终抛弃了以太并最终抛弃了以太,也就是抛弃了绝对运动。也就是抛弃了绝对运动。“马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。独立性。”爱因斯坦爱因斯坦相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。2.2.博闻苦思，好学进取博闻苦思，好学进取1616岁时岁时,爱因斯坦就思考爱因斯坦就思考:“如果我以速度如果我以速度c c追随一条光线运动追随一条光线运动”，我应当看到什么现，我应当看到什么现象呢？象呢？爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，
37、想爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，想:“:“若零结果是事实，若零结果是事实，那地球相对以太运动的想法就是错误的那地球相对以太运动的想法就是错误的!”!”爱因斯坦读了洛仑兹爱因斯坦读了洛仑兹18951895年的论文，认为其方程若成立，年的论文，认为其方程若成立，必然导致光速不变的概念。必然导致光速不变的概念。电磁感应的现象迫使我假设电磁感应的现象迫使我假设(狭义狭义)相对性的原理，必须相对性的原理，必须克服的困难在于真空中光速的不变性。克服的困难在于真空中光速的不变性。爱因斯坦爱因斯坦 爱因斯坦认为爱因斯坦认为:“:“若光速不变成立，则将出现同时性的若光速不变成立，则将出现同时性的相对性。相对性。”
38、就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与运就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。动有关，而不是割离的，建立了四维空间。3.3.追求科学理论的和谐与自然追求科学理论的和谐与自然认为科学理论应当完备，即不存认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛顿运在矛盾和不一致的地方，比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。动定律与事实有矛盾，就应该改革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。认为科学应当对称和谐。“它象在爬山
39、一样，越是往上爬，越是得到宽广的视它象在爬山一样，越是往上爬，越是得到宽广的视野，并且越能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间野，并且越能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外联系。的出乎意外联系。”爱因斯坦的回忆爱因斯坦的回忆狭义相对论被承认的曲折经历狭义相对论被承认的曲折经历1.1.普遍读不懂，不理解普遍读不懂，不理解在法国，在法国，19101910年几乎没有人提到爱因斯坦。年几乎没有人提到爱因斯坦。JJJJ汤姆逊汤姆逊19091909年：年：“以太对我们来说，就象我们以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。呼吸空气一样不可缺少。”马吉马吉19111911年：年：“我相信
40、，现在没有一个活着的人会断我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。言，时间会是速度的函数。”迈克尔逊至死（迈克尔逊至死（19311931年）还念念不忘年）还念念不忘“可爱的以太可爱的以太”，认为相对论是个怪物。认为相对论是个怪物。6.3 6.3 狭义相对论的遭遇和实验检验狭义相对论的遭遇和实验检验 2.2.普朗克支持：普朗克支持：“如果相对论是正确的，爱因斯坦就是如果相对论是正确的，爱因斯坦就是2020世纪的哥白尼。世纪的哥白尼。”并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现说，普朗克有两大发现!3.3.实验验证实验验证 190619
41、06年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受到年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受到考验！但考验！但19071907年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。1911 1911年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意到爱因斯坦的相对论方面的研究上有一定影响，人们才注意到爱因斯坦的相对论方面的工作。工作。支持相对论的物理学家：支持相对论的物理学家：普朗克，劳厄，闵可夫斯基，泡利，布雪勒等。普朗克，劳厄，闵可夫斯基，泡利，布雪勒等。劳厄劳厄，在，在19111911年就致力于
42、宣传相对论。年就致力于宣传相对论。闵可夫斯基闵可夫斯基 立陶宛出生的德国数学家是除爱因斯坦以外，最早注意到时立陶宛出生的德国数学家是除爱因斯坦以外，最早注意到时空观变革的学者，他是爱因斯坦大学时的老师，因后者不重视正规课程的空观变革的学者，他是爱因斯坦大学时的老师，因后者不重视正规课程的学习而不太喜欢这个学生，但他却十分赞赏学生提出的相对论。他以自己学习而不太喜欢这个学生，但他却十分赞赏学生提出的相对论。他以自己精通的几何学知识对相对论进行了四维格式化，重新处理了相对论的基本精通的几何学知识对相对论进行了四维格式化，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看作是坐标系在四维空间中的转动，给相对
43、论以更加方程，把洛仑兹变换看作是坐标系在四维空间中的转动，给相对论以更加简洁的表述。简洁的表述。泡利，泡利，在在19211921年受他老师的推荐为年受他老师的推荐为数学科学百科全书数学科学百科全书撰写了一篇关于撰写了一篇关于相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至今还是相对论方相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至今还是相对论方面的名著之一。面的名著之一。布雪勒，布雪勒，在在19081908年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与相对论的年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与相对论的理论基本相符。理论基本相符。闵可夫斯基闵可夫斯基狭义相对论有一重要结果，就是狭义相对
44、论有一重要结果，就是预言电子质量会随运动速度增长。预言电子质量会随运动速度增长。从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷会产从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷会产生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。经典电磁理论生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。经典电磁理论家阿伯拉罕（家阿伯拉罕（M.AbrahamM.Abraham）假设电子是一个有确定半径的钢性带假设电子是一个有确定半径的钢性带电小球，它在运动中产生的磁场引起电磁质量，由此推出了电子电小球，它在运动中产生的磁场引起电磁质量，由此推出了电子的质量公式。的质量公式。19011901年，实验物理学家考
45、夫曼用年，实验物理学家考夫曼用射线的高速电子射线的高速电子流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。洛仑兹到流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。洛仑兹到19041904年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。后来证明洛仑兹年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。后来证明洛仑兹公式与狭义相对论的结果一致。公式与狭义相对论的结果一致。19061906年，考夫曼宣布，他的量度年，考夫曼宣布，他的量度结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而“与洛仑兹与洛仑兹-爱因斯坦的基爱因斯坦的基本假定不相容本假定不相容”。这件事一度竟成了否定相对论的重要依据。在。这件事一度竟成了
46、否定相对论的重要依据。在这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，“不幸我的电子变形假不幸我的电子变形假说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。”然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在19071907年写文章表示，相信年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度上狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。是由于偶然碰巧与实验结果相符。果然，一年后布雪勒（果然，一年后布雪勒（A.H.BuchererA.H.Bucherer）用
47、改进了的方法测电子）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹质量，得到的结果与洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。爱因斯坦公式符合甚好。以后许多以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。可是，观念的改变不可是，观念的改变不是一朝一夕之事。是一朝一夕之事。直到直到19191919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。激烈的争论没有停息过。到激烈的争论没有停息过。到2020世纪三十年代末，从激发
48、世纪三十年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。后氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这就来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这就是说是说人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系中人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系中的时钟变慢了的时钟变慢了，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一效，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。应的数值也较大。19381938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒实验，结论更接年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒实验，结论更接近相对论的理论。近相对论的理论。194
49、01940年，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正确性。年，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正确性。趣闻：趣闻：爱因斯坦的诺奖路爱因斯坦的诺奖路l 从从19101910年开始，爱因斯坦开始被提名诺贝尔奖。除了年开始，爱因斯坦开始被提名诺贝尔奖。除了19111911年和年和19151915年，爱因斯坦每年都被提名诺贝尔奖，直到年，爱因斯坦每年都被提名诺贝尔奖，直到19221922年得奖年得奖。l 事实上，直到事实上，直到19151915年后，学术界才普遍承认，狭义相对论得到了年后，学术界才普遍承认，狭义相对论得到了实验验证。但是这时人们的注意力又集中到了爱因斯坦实验验证。但是这时人们的注意
50、力又集中到了爱因斯坦19151915年创年创立的广义相对论。立的广义相对论。l 在是否给爱因斯坦授予诺奖的问题上，诺贝尔奖委员会遇到了很在是否给爱因斯坦授予诺奖的问题上，诺贝尔奖委员会遇到了很大压力。大压力。“想象一下，如果爱因斯坦不在诺贝尔奖得主名单中，想象一下，如果爱因斯坦不在诺贝尔奖得主名单中，五十年后，人们会怎么看。五十年后，人们会怎么看。”布里渊布里渊趣闻：趣闻：爱因斯坦的诺奖路爱因斯坦的诺奖路爱因斯坦没有因为相对论工作而获得诺贝尔奖原因简析：爱因斯坦没有因为相对论工作而获得诺贝尔奖原因简析：1 1、当时诺贝尔委员会对新理论保持非常保守的态度；、当时诺贝尔委员会对新理论保持非常保守的
