趙崢：愛因斯坦與物理學(xué)的革命

1、-紀念相對論誕生紀念相對論誕生100周年暨愛周年暨愛因斯坦逝世因斯坦逝世50周年周年 趙崢 北京師范大學(xué)物理系一一. 兩朵烏云兩朵烏云二二. 狹義相對論狹義相對論三三. 彎曲的時空彎曲的時空廣義相對論廣義相對論四四. 相對論的進展相對論的進展五五. 愛因斯坦的成就與影響愛因斯坦的成就與影響一一. 兩朵烏云兩朵烏云 1900，開爾文勛爵：，開爾文勛爵： 物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學(xué)家只需要做些修修補補的的物理學(xué)家只需要做些修修補補的工作就行了。但是，明朗的天空還工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁

2、克爾遜實驗有關(guān)另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。第一朵烏云：黑體輻射第一朵烏云：黑體輻射 量子論量子論第二朵烏云：邁克爾遜實驗第二朵烏云：邁克爾遜實驗 相對論相對論19001905量子論的誕生量子論的誕生量子說量子說 光子說光子說愛因斯坦解釋光電效應(yīng)愛因斯坦解釋光電效應(yīng)1905愛因斯坦生平（愛因斯坦生平（）w 1879.3.14 誕生于德國烏爾姆誕生于德國烏爾姆w 中，小學(xué)時代中，小學(xué)時代 德國慕尼黑德國慕尼黑w 1895-1896 瑞士阿勞中學(xué)一年瑞士阿勞中學(xué)一年w 1896-1900 蘇黎士工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)蘇黎士工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)w 1900-1902 艱辛求職，四面碰壁艱辛求職，四面碰壁 愛因斯坦對學(xué)校教

3、育持批評態(tài)度，一生中愛因斯坦對學(xué)校教育持批評態(tài)度，一生中除了在阿勞中學(xué)那一年的補習(xí)班外，對學(xué)校教除了在阿勞中學(xué)那一年的補習(xí)班外，對學(xué)校教育沒有好印象。育沒有好印象。 他高度評價阿勞中學(xué)的教學(xué)：他高度評價阿勞中學(xué)的教學(xué)： “這個中學(xué)用它的自由精神和那些不仗外界權(quán)這個中學(xué)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(xué)，成為了孕育相對論創(chuàng)造精神。正是阿勞中學(xué)，成為了孕育相對論的土壤的土壤”w 1902-1909 伯爾尼發(fā)明專利局工作伯爾尼發(fā)明專利局工作w 初期科研情況：初期科研情況： 1901-1篇論文篇論文 19

4、02-2篇論文篇論文 1903-1篇論文篇論文 1904-1篇論文篇論文希爾伯特：希爾伯特： 沒有比專利局對愛因斯坦沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了更適合的工作單位了 空閑、寬容空閑、寬容愛因斯坦的豐收年愛因斯坦的豐收年（26歲）歲）w 1905-5篇篇 3月月 解釋光電效應(yīng)解釋光電效應(yīng)光子說（光子說（6月月 發(fā)表）發(fā)表） 4月月 博士論文：測定分子大小的新博士論文：測定分子大小的新 方法（方法（4月提交）月提交） 5月月 解釋布朗運動（解釋布朗運動（7月發(fā)表）月發(fā)表）6月月 “論運動物體的電動力論運動物體的電動力學(xué)學(xué)”狹義相對論（狹義相對論（9月發(fā)表）月發(fā)表）9月月 （11月發(fā)表）月

5、發(fā)表）2mCE 愛因斯坦生平（愛因斯坦生平（） 1909-1914 進入大學(xué)工作（蘇黎士，布進入大學(xué)工作（蘇黎士，布 拉格等地）拉格等地） 1914-1933 柏林大學(xué)教授，德國物理研柏林大學(xué)教授，德國物理研 究所所長究所所長、院士院士 1915 提出廣義相對論提出廣義相對論（36歲）歲） 1933-1955 美國普林斯頓大學(xué)高級研究美國普林斯頓大學(xué)高級研究 所研究員所研究員 1955年4月18日 逝世二二.狹義相對論狹義相對論 光波是光波是“以太以太”的彈性振動。的彈性振動。 以太相對于地球運動嗎？以太相對于地球運動嗎？ 光行差現(xiàn)象（光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相）：以太相 對于地

6、球有運動。對于地球有運動。 邁克爾遜實驗（邁克爾遜實驗（1881，1887）：沒有）：沒有 測出這一運動測出這一運動。洛倫茲的解釋：洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：洛倫茲收縮：220/1cvllx=x-vty=yz=zt=t伽利略變換伽利略變換（速度疊加的平行四邊形法則）（速度疊加的平行四邊形法則）22222/1/ )/(/1/ )(cvcvxttzzyycvvtxx洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換愛因斯坦的新理論愛因斯坦的新理論相對性原理相對性原理 光速不變原理光速不變原理洛倫茲變換洛倫茲變換不存在絕對空間，一切運動都

7、是相對的不存在絕對空間，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變換洛倫茲變換是任意兩個慣性系之間的變換V是相對速度是相對速度愛因斯坦：愛因斯坦：洛倫茲反對愛因斯坦的觀點，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：給愛因斯坦的理論起了個名字： 相對論相對論相對論認為“同時”是相對的動尺收縮： 空間是相 對的動鐘變慢： 時間是相 對的質(zhì)能關(guān)系：2mCE 22/1/cvdtdT220/1/cvll是靜鐘是動鐘，dTdt雙生子佯謬A ABpqtx雙生子佯謬雙生子佯謬2222222dxc1-dtd dydxds偽歐時空歐幾里德空間 愛因斯坦的創(chuàng)新之處：愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅

8、持相對性原理）堅持相對性原理（2）認識到光速是絕對的（）認識到光速是絕對的（最困難的思想突破最困難的思想突破）（3）時間）時間 能量能量 空間空間 動量動量究竟是誰創(chuàng)造了相對論？究竟是誰創(chuàng)造了相對論？w 歷史：歷史：1892 洛倫茲斐茲杰惹收縮洛倫茲斐茲杰惹收縮 （1892） （1889，1893）1902 彭卡萊否認絕對空間，絕對時間彭卡萊否認絕對空間，絕對時間 （但仍承認有以太）（但仍承認有以太） 批評相對于絕對空間的動尺收縮假設(shè)，批評相對于絕對空間的動尺收縮假設(shè)， 認為認為“相對性原理相對性原理”適用于電磁理論適用于電磁理論220.cv-1ll w 1904 洛倫茲部分接受彭卡萊批評洛倫

9、茲部分接受彭卡萊批評 提出地方時間提出地方時間 （非真實時間）（非真實時間） 給出洛倫茲變換給出洛倫茲變換 （1887 佛格特，佛格特，1898 拉摩）拉摩） 電子質(zhì)量公式電子質(zhì)量公式 220cv-1mm 222cv-1xcv-tt w 1904 彭卡萊彭卡萊 正確表述正確表述“相對性原理相對性原理” 提到用光信號對鐘，但認為得到的是地方時間，提到用光信號對鐘，但認為得到的是地方時間，不是真實時間。不是真實時間。 推測真空中光速推測真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；是常數(shù)，且可能是極限速度；w 1905 愛因斯坦發(fā)表相對論愛因斯坦發(fā)表相對論 （論運動物體的電動力學(xué)）（論運動物體的電動力學(xué)）

10、只有他認識到只有他認識到（1）必須徹底拋棄絕對空間（以太）必須徹底拋棄絕對空間（以太） 必須徹底拋棄絕對時間（同時的絕對性）必須徹底拋棄絕對時間（同時的絕對性）（2）“同時同時”是相對的，可以用光來對鐘，定是相對的，可以用光來對鐘，定義義“同時同時”（3）新理論是一個時空理論）新理論是一個時空理論w 楊振寧教授楊振寧教授洛倫茲只有近距離眼光，沒有遠距離眼光洛倫茲只有近距離眼光，沒有遠距離眼光洛倫茲（只重視解釋實驗與觀測結(jié)果）局部修改物理理洛倫茲（只重視解釋實驗與觀測結(jié)果）局部修改物理理論，不從哲學(xué)角度考慮論，不從哲學(xué)角度考慮彭卡萊只有遠距離眼光，沒有近距離眼光彭卡萊只有遠距離眼光，沒有近距離眼

11、光彭卡萊只從哲學(xué)和數(shù)學(xué)的角度來考查問題彭卡萊只從哲學(xué)和數(shù)學(xué)的角度來考查問題, 不從實驗和不從實驗和測量的角度考查測量的角度考查愛因斯坦具有自由的眼光，既近距離又遠距離觀察問題愛因斯坦具有自由的眼光，既近距離又遠距離觀察問題既重視實驗和觀測，又注重哲學(xué)探討（馬赫著作，既重視實驗和觀測，又注重哲學(xué)探討（馬赫著作，“奧奧林匹亞學(xué)院林匹亞學(xué)院”）洛倫茲是技術(shù)型的，彭卡萊是哲學(xué)型的，愛因斯坦是物洛倫茲是技術(shù)型的，彭卡萊是哲學(xué)型的，愛因斯坦是物理型的。理型的。三三.彎曲的時空彎曲的時空廣義相對論廣義相對論（1）慣性系無法定義）慣性系無法定義（2）萬有引力定律納不進相對論體）萬有引力定律納不進相對論體系系伽

12、利略受審伽利略受審牛頓與蘋果落地牛頓與蘋果落地引力場引力場=慣性場慣性場 (局域局域) 等效原理等效原理 廣義相對性原理廣義相對性原理廣義相對論廣義相對論Igmm 萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)的表現(xiàn)行星繞日運動是慣性運動（伽利略的行星繞日運動是慣性運動（伽利略的“錯誤錯誤”）地球上的自由落體運動是慣性運動地球上的自由落體運動是慣性運動彎曲的時空彎曲的時空 時間時間 能量能量 空間空間 動量動量 kTRgR21時空曲率時空曲率物質(zhì)物質(zhì)愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：愛因斯坦與格羅斯曼合作得到場方程：kTRgR21愛因斯坦與希爾伯特討論后得到正確的場

13、方程：愛因斯坦與希爾伯特討論后得到正確的場方程：TR數(shù)學(xué)家對愛因斯坦的幫助數(shù)學(xué)家對愛因斯坦的幫助廣義相對論的三個實驗驗證廣義相對論的三個實驗驗證（1） 引力紅移引力紅移（2） 水星進動水星進動（3） 光線偏折光線偏折水星軌道近日點的進動水星軌道近日點的進動5600.73 0.41/百年，（觀測）百年，（觀測）5557.62 0.20/百年，（計算）百年，（計算）43.11/百年的進動無法百年的進動無法解釋廣義相對論的回答：廣義相對論的回答：43/百年百年勒維葉的猜測，火神星勒維葉的猜測，火神星（勒維葉與亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)海王星）（勒維葉與亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)海王星）光線偏折光線偏折廣義相對論：廣義相對論： =1

14、.75牛頓理論：牛頓理論： =0.875實驗觀測：實驗觀測：（1918年：愛丁頓年：愛丁頓 西非普林西比西非普林西比; ; 巴西，陰雨）巴西，陰雨） =1.98 0.12今天：今天： =1.89愛因斯坦說：愛因斯坦說： 狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，五年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)。五年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)。廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)！年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)！四、相對論的進展四、相對論的進展相對論的進展相對論的進展 引力波引力波 現(xiàn)代宇宙學(xué)現(xiàn)代宇宙學(xué) 黑洞黑洞 奇性定理奇性定理 時空隧道與時間機器時空隧道與時間機器 規(guī)范場規(guī)范場引力波引力波 廣義相

15、對論預(yù)言：有引力波，以光速傳廣義相對論預(yù)言：有引力波，以光速傳 播播 J.H.Taylar,R.A.Hulse發(fā)現(xiàn)脈沖雙星發(fā)現(xiàn)脈沖雙星（PSR1913+16）軌道周期每年減少約萬）軌道周期每年減少約萬 分之一秒，恰好可用引力輻射來解釋。分之一秒，恰好可用引力輻射來解釋。（由于對脈沖雙星研究的貢獻獲（由于對脈沖雙星研究的貢獻獲1993年諾年諾貝爾物理獎，但未明確指明發(fā)現(xiàn)引力波。）貝爾物理獎，但未明確指明發(fā)現(xiàn)引力波。）現(xiàn)代宇宙學(xué)現(xiàn)代宇宙學(xué)愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型愛因斯坦：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型加入宇宙項加入宇宙項 kTgRgRkTRgR2121（宇宙項）暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)

16、亮星暗物質(zhì)暗能量重子熱暗物質(zhì)(中微子)冷暗物質(zhì)起源于動力學(xué)暗能量廣義相對論在宇觀尺度失效0.5%4%0.3%29%65%黑洞黑洞r22cGMr (視界）r=0奇點 t r洞外洞外 時間時間 空間空間洞內(nèi)洞內(nèi) 空間空間 時間時間信息疑難信息疑難2004年年7月月21日日,霍金霍金 “我輸了我輸了”霍金霍金(S.W.Hawking)索恩索恩(Kip.Throne)普瑞斯基普瑞斯基(John Preskill )奇性疑難奇性疑難彭若斯與霍金的奇性定理彭若斯與霍金的奇性定理: 時間一定有開始和結(jié)束時間一定有開始和結(jié)束 宇宙中的蟲洞宇宙中的蟲洞時空隧道與時間機器時空隧道與時間機器規(guī)范場：規(guī)范場：1、愛因

17、斯坦統(tǒng)一場論的思想、愛因斯坦統(tǒng)一場論的思想2、魏爾（、魏爾（H.Weyl）的尺度變換理論）的尺度變換理論 規(guī)范場規(guī)范場3、愛因斯坦的反對意見、愛因斯坦的反對意見4、福克與倫敦對魏爾理論的修正、福克與倫敦對魏爾理論的修正5、楊振寧對規(guī)范場的貢獻、楊振寧對規(guī)范場的貢獻6、引力規(guī)范理論、引力規(guī)范理論E=mc2狹義相對論博士論文獲諾貝爾獎之作導(dǎo)致Perrin獲諾貝爾獎1905提名Einstein的領(lǐng)域w 相對論；量子論；引力論；布朗運動；光量相對論；量子論；引力論；布朗運動；光量子；統(tǒng)計力學(xué)；臨界乳光；比熱；數(shù)學(xué)物理；子；統(tǒng)計力學(xué)；臨界乳光；比熱；數(shù)學(xué)物理；光電效應(yīng)；愛因斯坦德哈斯效應(yīng)等。光電效應(yīng)；愛

18、因斯坦德哈斯效應(yīng)等。w 提名最多的領(lǐng)域是相對論，包括狹義和廣義提名最多的領(lǐng)域是相對論，包括狹義和廣義相對論。但是，獲獎的卻是光電效應(yīng)。相對論。但是，獲獎的卻是光電效應(yīng)。 1921 光電效應(yīng)光電效應(yīng)w 得獎年得獎年：1921w 得獎人得獎人：A. Einsteinw 得獎項目得獎項目：for his services to theoretical physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effectw 瑞典皇家科學(xué)院秘書的信：瑞典皇家科學(xué)院秘書的信：“但是沒有考但是沒有考慮您的相對論和引力

19、理論一旦得到證實所應(yīng)慮您的相對論和引力理論一旦得到證實所應(yīng)獲得的評價獲得的評價”檢驗愛因斯坦理論或與愛因斯坦理論密切相關(guān)的研究工作而獲諾貝爾獎的1926 布朗運動布朗運動w 得獎年：1926w 得獎人：J.B. Perrinw 得獎項目：for his work on the discontinuous structure of matter, and especially for his discovery of sedimentation equilibriumw 說明：首次實驗證明Einstein的布朗運動理論1927 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)w 得獎得獎年：年：1927w 得獎人：得獎人：

20、A.H. Comptonw 得獎項目：得獎項目：for his discovery of the effect named after himw 說明：首次證明光子同時具有能量、動說明：首次證明光子同時具有能量、動量、頻率、波長量、頻率、波長“E=h, p=h/”1951 E=mc2w 得獎年：得獎年：1951w 得獎人：得獎人：Sir J.D. Cockcroft & E.T.S. Waltonw 得獎項目：得獎項目：for their pioneer work on the transmutation of atomic nuclei by artificially acceler

21、ated atomic particlesw 說明：說明：“a verification was provided by this analysis for Einsteins law concerning the equivalence of mass and energy”1964 受激輻射受激輻射w 得獎年：得獎年：1964w 得獎人：得獎人：C.H. Townes, N.G. Basov, A.M. Prochorovw 得獎項目：得獎項目：for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led t

22、o the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principlew 說明：說明：maserlaser based on 受激輻射受激輻射1993 引力波引力波w 得獎年：得獎年：1993w 得獎人得獎人：R.A. Hulse, J.H. Taylor, Jrw 得獎項目：得獎項目：for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of

23、 gravitationw 說明：驗證了引力波說明：驗證了引力波2001 BoseEinstein凝聚凝聚w 得獎年得獎年：2001w 得獎人：得獎人：E.A. Cornell, W. Ketterle, C.E. Wiemanw 得獎項目：得獎項目：for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates量子信息學(xué)與量子糾纏量子信息學(xué)與量子糾纏w

24、 EPR effectw Entanglementw 量子信息學(xué)量子信息學(xué)w 量子計算機量子計算機類星體與引力透鏡效應(yīng)類星體與引力透鏡效應(yīng)w 1979：Walsh，Carswell，Weymann 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了首個類星體（了首個類星體（0957561）的引力透）的引力透鏡現(xiàn)象。鏡現(xiàn)象。w 隨后，一大批引力透鏡現(xiàn)象（包括愛因隨后，一大批引力透鏡現(xiàn)象（包括愛因斯坦環(huán)、愛因斯坦弧等）被發(fā)現(xiàn)。斯坦環(huán)、愛因斯坦弧等）被發(fā)現(xiàn)。微波背景輻射各向異性的發(fā)現(xiàn)w COBE衛(wèi)星衛(wèi)星w WMAP衛(wèi)星衛(wèi)星 導(dǎo)致精確宇宙學(xué)、和諧宇宙學(xué)的建立導(dǎo)致精確宇宙學(xué)、和諧宇宙學(xué)的建立黑洞物理及其觀測黑洞物理及其觀測w 黑洞物理以及黑洞

25、天體物理黑洞物理以及黑洞天體物理w 黑洞吸積及輻射黑洞吸積及輻射w 黑洞觀測與證認黑洞觀測與證認引力波的探測引力波的探測w 間接檢驗引力波間接檢驗引力波 已有已有HulseTaylor工作（已獲獎）工作（已獲獎） 雙脈沖星觀測雙脈沖星觀測w 已有許多方案和衛(wèi)星設(shè)計直接觀測引力已有許多方案和衛(wèi)星設(shè)計直接觀測引力波波 （很可能會導(dǎo)致新獎）（很可能會導(dǎo)致新獎）宇宙學(xué)與宇宙常數(shù)宇宙學(xué)與宇宙常數(shù) w 愛因斯坦宇宙愛因斯坦宇宙w 宇宙常數(shù)宇宙常數(shù) 萬有斥力萬有斥力w 宇宙常數(shù)宇宙常數(shù) 三起三落三起三落w 宇宙年齡宇宙年齡w 減速因子減速因子加速膨脹的發(fā)現(xiàn)加速膨脹的發(fā)現(xiàn)w 暗能量暗能量w 精確宇宙學(xué)、和諧宇宙學(xué)精確宇宙學(xué)、和諧宇宙學(xué)w 大突破的前夕大突破的前夕愛因斯坦的主要成就愛因斯坦的主要成就