愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容課件

第八章相對論的建立和發(fā)展相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天文學(xué)、哲學(xué)思想有深遠(yuǎn)的影響。相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各個(gè)分支又一次綜合的結(jié)果。第八章相對論的建立和發(fā)展1

相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域?！薄虏剂_意相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突21.牛頓力學(xué)時(shí)空觀絕對的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關(guān)的流逝?！ｎD絕對空間，就其本質(zhì)來說，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的?！ｎD歷史背景：1.牛頓力學(xué)時(shí)空觀歷史背景：32、邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)由于人們把“以太”選作絕對靜止的參照系，因此在19世紀(jì)，人們熱衷于尋找出地球相對于以太的絕對速度。1881年，美國人邁爾耳遜設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是卻得到“0”結(jié)果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然是“零結(jié)果”。根據(jù)這一結(jié)果，“以太”顯然是一廂情愿的設(shè)想，盡管不斷改進(jìn)，但結(jié)論卻相同。2、邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)4“以太”的概念最早出現(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》一書中。按笛卡爾的觀點(diǎn)，“虛空”是不可能存在的，整個(gè)宇宙充滿著一種易動的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是“以太”。17世紀(jì)，惠更斯也用了“以太”的說法。麥克斯韋也援用“以太”的概念。他把“以太”看成電磁場的物質(zhì)基礎(chǔ),認(rèn)為電磁現(xiàn)象是“以太”運(yùn)動的表現(xiàn)?！耙蕴钡母拍钭钤绯霈F(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的《哲53、真空中的光速根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，光速“c”應(yīng)為一常數(shù)，與牛頓力學(xué)的速度疊加法則相矛盾。4、物理學(xué)家面臨的選擇要么對牛頓力學(xué)做一些顧此失彼的解釋，修修補(bǔ)補(bǔ)，要么徹底拋棄，建立新的理論。3、真空中的光速6第一節(jié)愛因斯坦狹義相對論第一節(jié)愛因斯坦狹義相對論7一、走在愛因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲修改麥克斯韋方程佛格特1887年提出佛格特變換，與洛倫茲變換相似洛倫茲知道佛格特的工作，但沒有足夠注意。拉摩拉摩進(jìn)動和拉摩變換費(fèi)茲杰惹獨(dú)立地提出洛倫茲變換洛倫茲提出電子論和洛倫茲變換愛因斯坦讀過洛倫茲1895年的著作彭家勒提出相對性原理一、走在愛因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲8愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容課件9

1879年3月14日生于德國烏爾姆一個(gè)猶太人家庭。父親是小商人，母親是鋼琴家。上學(xué)后，成績平平，但愛動腦筋，12歲曾證明勾股定理。1896年，愛因斯坦正式成為一個(gè)無國籍的人，并考進(jìn)了聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。大學(xué)期間，愛因斯坦迷上了物理學(xué)，一方面，他閱讀了德國著名物理學(xué)家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學(xué)，并經(jīng)常去理論物理學(xué)教授的家中請教。另一方面，他的大部分時(shí)間是去物理實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn)，迷戀于直接觀察和測量。二、愛因斯坦簡介1879年3月14日生于德國烏爾姆一個(gè)猶太人家庭。101900年蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系畢業(yè)。1902年在瑞士聯(lián)邦專利局工作1909年離開專利局任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授。1911年任布拉格德語大學(xué)理論物理學(xué)教授，1912年任母校蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)教授。1914年，應(yīng)能斯脫的邀請，回德國任威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學(xué)教授，直到1933年。1900年蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系畢業(yè)。111920年應(yīng)洛倫茲和埃倫菲斯特（即P.厄任費(fèi)斯脫）的邀請，兼任荷蘭萊頓大學(xué)特邀教授。回德國不到四個(gè)月，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他投入公開的和地下的反戰(zhàn)活動。他經(jīng)過8年艱苦的探索,于1915年最后建成了廣義相對論。

1921年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1933年受德國納粹迫害，移居美國，為普林斯頓研究所研究員。1940年加入美國國籍。1955年4月18日去世。1920年應(yīng)洛倫茲和埃倫菲斯特（即P.厄任費(fèi)斯脫）的邀請，兼12

三、相對論的建立

1900年，愛因斯坦大學(xué)畢業(yè)。1901年，他獲得了瑞士國籍。1902年，在他的朋友格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦終于在伯爾尼的瑞士聯(lián)邦專利局找到了一份穩(wěn)定的工作——當(dāng)技術(shù)員。在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué)。愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問題使他不安，這就是絕對參照系中以太的存在。三、相對論的建立13

他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過研究，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實(shí)際意義。于是他想到：絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀(jì)末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對時(shí)空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。

他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是14

他的狹義相對論認(rèn)為“在互相作直線----非加速運(yùn)動的所有參考系中，自然規(guī)律是同樣有效的?！彼囊馑季褪牵耗阏驹趦蓚€(gè)互相做直線運(yùn)動的---非加速的參考系中，你看到的物理現(xiàn)象是相同的。------相對性原理。他的相對論，把所謂作為光波載體的以太，從物理學(xué)世界中清除出去了。“無以太物理學(xué)”乃是愛因斯坦思想的成果。他的狹義相對論認(rèn)為“在互相作直線----非加速運(yùn)動15

1905年5月的一天，愛因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過反復(fù)思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒有絕對的定義，時(shí)間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個(gè)星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。

1905年他發(fā)表了有關(guān)狹義相對論的三篇文章。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已16

愛因斯坦的相對論認(rèn)為：光速是一切過程不可能達(dá)到的最高臨界速度，無論怎樣加力，把能量加上去，都不可能使物體達(dá)到或超過光速。-------這就是光速恒定。這就引出相對論的兩個(gè)著名的“佯謬”。所謂佯謬，就是純粹從邏輯上對一個(gè)理論做結(jié)論推導(dǎo)，推導(dǎo)出一個(gè)明顯不合邏輯或者常識的結(jié)論或者兩個(gè)相互矛盾的結(jié)果。其中一個(gè)佯謬是：快速運(yùn)動著的一把尺子，它跟靜止?fàn)顟B(tài)相比，在運(yùn)動方向上長度縮短了。愛因斯坦的相對論認(rèn)為：光速是一切過程不可能達(dá)到的最高17

另外一個(gè)佯謬就是：快速運(yùn)動參考系中的鐘，與靜止參考系中的鐘相比，它走慢了。----這就是所謂的時(shí)間膨脹，也叫時(shí)間延遲。

在1911年4月波隆哲學(xué)大會上，法國物理學(xué)家P．朗之萬用雙生子實(shí)驗(yàn)對狹義相對論的時(shí)間膨脹效應(yīng)提出了質(zhì)疑，設(shè)想的實(shí)驗(yàn)是這樣的：一對雙胞胎，一個(gè)留在地球上，另一個(gè)乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時(shí)只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過了200年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子佯謬說明狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。另外一個(gè)佯謬就是：快速運(yùn)動參考系中的鐘，與靜止參考系中18

激烈的爭論沒有停息過。到20世紀(jì)三十年代末，從激發(fā)氫原子的實(shí)驗(yàn)中，無可置疑地證明了時(shí)間的相對膨脹。后來，在宇宙線的研究過程中再次明確地得到了證實(shí)。這就是說人們在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，的確發(fā)現(xiàn)快速運(yùn)動的參考系中的時(shí)鐘變慢了，特別是宇宙線粒子的速度特別大，這一效應(yīng)的數(shù)值也較大。激烈的爭論沒有停息過。到20世紀(jì)三十年代末，從激發(fā)氫原19二、愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容1.兩個(gè)基本假設(shè)1905年9月,愛因斯坦26歲,在德國的《物理學(xué)雜志》發(fā)表了三篇文章，在文章中提出了兩個(gè)基本假設(shè)：

狹義相對論的相對性原理光速不變原理二、愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容20

將革命性的時(shí)空觀引入物理學(xué)，雖然它只具有最少的兩個(gè)基本假設(shè)，但它與各種實(shí)驗(yàn)都符合。從這兩個(gè)假設(shè)，他得出了洛倫茲變換：將革命性的時(shí)空觀引入物理學(xué)，雖然它只具有最少的兩個(gè)基本假設(shè)21

表明了時(shí)間與空間與運(yùn)動的不可分割的聯(lián)系，使牛頓力學(xué)得到推廣，將時(shí)空觀普遍化。2.由狹義相對論引出的觀念的變化同時(shí)性的相對性——長度收縮與運(yùn)動有關(guān)——時(shí)間膨脹效應(yīng)——速度變換公式——質(zhì)速關(guān)系——質(zhì)能關(guān)系——能量動量關(guān)系3.狹義相對論是基礎(chǔ)牢固，邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)緊，形式完美的物理理論，成為近代物理的支柱。表明了時(shí)間與空間與運(yùn)動的不可分割的聯(lián)系，使牛頓力學(xué)22三、愛因斯坦的研究特色:1.對經(jīng)典理論的大膽懷疑經(jīng)過十年的思索,首先看破以太,并最終拋棄了以太,也就是拋棄了絕對運(yùn)動。馬赫的真正偉大，就在于他的堅(jiān)不可摧的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性。——愛因斯坦相對論以最勇敢的物理論而名揚(yáng)于世。三、愛因斯坦的研究特色:23

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2.博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取16歲時(shí),愛因斯坦就思考:“如果我以速度c追隨一條光線運(yùn)動”，我應(yīng)當(dāng)看到什么現(xiàn)象呢？愛因斯坦得知邁克爾遜零結(jié)果，想:“若零結(jié)果是事實(shí)，那地球相對以太運(yùn)動的想法就是錯(cuò)誤的!”愛因斯坦讀了洛侖茲1895年的論文，認(rèn)為其方程若成立，必然導(dǎo)致光速不變的概念。

電磁感應(yīng)的現(xiàn)象迫使我假設(shè)(狹義)相對性的原理，必須克服的困難在于真空中光速的不變性.——愛因斯坦2.博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取25

愛因斯坦認(rèn)為:“若光速不變成立，則將出現(xiàn)同時(shí)性的相對性。”就這樣，愛因斯坦建立了新的時(shí)空觀，他認(rèn)為時(shí)間與運(yùn)動有關(guān)，而不是割離的，建立了四維空間。

愛因斯坦認(rèn)為:“若光速不變成立，則將出現(xiàn)同時(shí)性的相對性。”263.追求科學(xué)理論的和諧與自然認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)完備，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛頓運(yùn)動定律與事實(shí)有矛盾，就應(yīng)該改革它。認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)邏輯簡單，概念和假設(shè)應(yīng)當(dāng)盡量地少，理論應(yīng)當(dāng)簡潔。認(rèn)為科學(xué)應(yīng)當(dāng)對稱和諧。

愛因斯坦在總結(jié)回憶時(shí)說：“它象在爬山一樣，越是往上爬，越是得到寬廣的視野，并且越能顯示出我們的出發(fā)點(diǎn)與其周圍廣大地域之間的出乎意外聯(lián)系。”3.追求科學(xué)理論的和諧與自然27四、狹義相對論被承認(rèn)的曲折經(jīng)歷1.普遍讀不懂，不理解

在法國，1910年幾乎沒有人提到愛因斯坦。J·J·湯姆遜1909年：“以太對我們來說，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少。”

馬吉1911年：“我相信，現(xiàn)在沒有一個(gè)活著的人會斷言，時(shí)間會是速度的函數(shù)?！边~克爾遜至死（1931年）還念念不忘“可愛的以太”，認(rèn)為相對論是個(gè)怪物。四、狹義相對論被承認(rèn)的曲折經(jīng)歷28

2.普朗克支持：“如果相對論是正確的，愛因斯坦就是20世紀(jì)的哥白尼?！辈l(fā)表了愛因斯坦的文章。所以人們常說，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)!3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1906年，考夫曼得出了否定相對論的結(jié)果，相對論受到考驗(yàn)！但1907年，愛因斯坦發(fā)表文章，堅(jiān)信相對論是正確的。2.普朗克支持：“如果相對論是正確的，愛因斯坦就是20世紀(jì)29愛因斯坦及論文愛因斯坦及論文301911年，索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意愛因斯坦的相對論方面的工作。到了1919年，愛因斯坦的廣義相對論得到了日全食觀測的證實(shí)，他成為公眾矚目的人物。狹義相對論才開始受到應(yīng)有的重視。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會主席奧利維拉為此專門寫信給他。1911年，索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有31支持相對論的物理學(xué)家：普朗克，當(dāng)時(shí)作為《物理學(xué)年鑒》的主編，認(rèn)識到愛因斯坦論文的價(jià)值，及時(shí)給予發(fā)表。普朗克的學(xué)生勞厄，在1911年就致力于宣傳相對論。閔可夫斯基，在1908年提出四維空間，使相對論的規(guī)律以簡潔的形式表達(dá)。泡利，在1921年受他老師的推薦為《數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》撰寫了一篇關(guān)于相對論的長篇綜述文章，得到了愛因斯坦的高度評價(jià)，至今還是相對論方面的名著之一。布雪勒，在1908年用改進(jìn)的方法測量電子的質(zhì)量，得到的結(jié)果與相對論的理論基本相符。支持相對論的物理學(xué)家：321938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實(shí)驗(yàn)，結(jié)論更接近相對論的理論。1940年，羅吉斯通過實(shí)驗(yàn)再次證明愛因斯坦理論的正確性。1938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實(shí)驗(yàn)，結(jié)論更接近相對33

第二節(jié)廣義相對論

愛因斯坦最初提出的慣性系相對論適用于相對做勻速直線運(yùn)動的參考系之間，我們稱之為狹義相對論。而事實(shí)上，在真實(shí)世界中，慣性參考系只是個(gè)理想狀況。愛因斯坦不久以后，就得出一個(gè)令人沮喪的結(jié)論：在狹義相對論的框架下，絕對不可能有完善的重力理論。第二節(jié)廣義相對論愛因斯坦最初提出的慣性系相對論適用341907年，他腦海中突然冒出一個(gè)靈感：“一個(gè)在半空中墜落的人，完全感覺不到自己的重量，應(yīng)該覺得自己好象置身于慣性系中。”根據(jù)這個(gè)平淡無奇的想法，同年他就寫出了第一篇關(guān)于廣義相對論的論文，提出廣義相對論的兩個(gè)假設(shè)：一、等效原理：加速度造成的“重量感”與真正的重力效應(yīng)一模一樣。二、廣義相對性原理：物理定律在任何參考系中都具有相同形式。1907年，他腦海中突然冒出一個(gè)靈感：“一個(gè)在半空中墜落的人35

1916年,愛因斯坦完成了廣義相對論，提出了三大天文效應(yīng)，其中之一，引力場將使星光彎曲的現(xiàn)象。1919年，英國愛丁頓，率領(lǐng)一支考察隊(duì)，利用日全食,觀察到這一現(xiàn)象，并拍攝了照片。相對論的成功震驚了世界!愛因斯坦成為公眾矚目的人。

愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容課件36小插曲：1905年愛因斯坦寫的文稿只有三頁，當(dāng)時(shí)可以說一文不值，1936年，卻價(jià)值連城，賣了400萬美元，武裝了一支支援西班牙反對法西斯獨(dú)裁的軍隊(duì)。

這幾年在黑暗中焦慮的探索，熱切地渴望，時(shí)而充滿自信，時(shí)而精疲力竭，而最后終于看到了光明！——愛因斯坦小插曲：1905年愛因斯坦寫的文稿只有三頁，當(dāng)時(shí)可以說一文不37

一則比喻:為了使外行更好地理解相對論，一生致力于時(shí)間研究的阿爾伯特·愛因斯坦有一個(gè)廣為人知的比喻：“一位先生和一位漂亮女孩在一起呆上一小時(shí)，他會感覺像一分鐘；但如果讓他在火爐子上呆上一分鐘，他會感覺比一小時(shí)還長。這就是相對論。”為了簡明地解釋相對論，這位偉大的理論家曾經(jīng)親手做過體驗(yàn)。一則比喻:38下面是他在《放熱科技》上的一篇小文章下面是他在《放熱科技》上的一篇小文章39

關(guān)于觀測者對時(shí)間流逝的感知，參照系是至關(guān)重要的，所以觀測者的精神狀態(tài)也許是對時(shí)間流逝感知的一個(gè)附加因素。因此我努力在兩種顯著不同的精神狀態(tài)下研究時(shí)間的表觀流逝。

實(shí)驗(yàn)方法：我需要找到一個(gè)火爐子和一個(gè)漂亮姑娘。不幸的是，找一個(gè)火爐子不那么容易，因?yàn)闉槲易鲲埖呐畟蚪刮疫M(jìn)入廚房。不過，我設(shè)法秘密弄到了一個(gè)1924年生產(chǎn)的烤雞蛋餅的鐵篦子。因?yàn)樵撹F篦子能達(dá)到很高的溫度，完全可以代替火爐子來做試驗(yàn)。因?yàn)槲夷壳白≡谛聺晌髦?，要找一個(gè)漂亮姑娘就更成問題了。我認(rèn)識查理·卓別林，去他公司參加過他1931年的電影《城市之光》（citylights）的開幕式，所以我請求他安排我與他的妻子會一次面。他的妻子、電影明星戈達(dá)德有“天仙”之稱，也就是說，是位美人，而且是絕色美人。

關(guān)于觀測者對時(shí)間流逝的感知，參照系是至關(guān)重要的，所以觀40討論：我坐火車去紐約見戈達(dá)德小姐，我們在中央車站一帶的Oyster酒吧見了面。她靚麗又興奮，當(dāng)我感覺1分鐘過去了的時(shí)候，我看了看表，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過了整整57分鐘，我把它取整為1小時(shí)。我一回到家里，就馬上插上雞蛋餅鐵篦子加熱，然后穿著褲子和長襯衫坐在上面。當(dāng)感覺1個(gè)小時(shí)已經(jīng)過去的時(shí)候，我站起來看了看表，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上還不到1秒鐘。為了保持描述這兩種環(huán)境時(shí)的單位一致性，我將就地說成是1分鐘。之后，我叫來了一位醫(yī)生。

結(jié)論：在對時(shí)間的感知上，觀測者的精神狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。討論：我坐火車去紐約見戈達(dá)德小姐，我們在中央車站一帶的Oys41相對論的意義1.使牛頓的理論二百多年來第一次得到修正，牛頓力學(xué)成為相對論的一個(gè)分支。2.使人們對質(zhì)量、能量、時(shí)間、空間和速度等物理量有了一個(gè)全新的認(rèn)識.3.質(zhì)能關(guān)系式為核能的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。4.象征著人類在探索自然過程中登上的一座高峰。相對論的意義42

一個(gè)以偉大的創(chuàng)造性觀念造福于世界的人，不需要后人的贊揚(yáng)，他的成就本身就已給了他一個(gè)更高的報(bào)答——愛因斯坦1955年4月18日，由于大動脈破裂，愛因斯坦去世。遵照他的遺囑，不舉行任何喪禮，不筑墳?zāi)?，不立紀(jì)念碑，骨灰撒在永遠(yuǎn)對人保密的地方，為的是不使任何地方成為圣地。一個(gè)以偉大的創(chuàng)造性觀念造福于世界的人，不需要后人的贊揚(yáng)43第一次世界大戰(zhàn)一、時(shí)間：1914年7月-1918年11月11日二、國家：30多個(gè)，15億人口參戰(zhàn)三、武器：遠(yuǎn)程重炮，飛機(jī)，坦克，毒氣彈等第一次世界大戰(zhàn)一、時(shí)間：1914年7月-1918年11月1144第二次世界大戰(zhàn)時(shí)間：1931年9月-1945年9月9日國家：61個(gè)，17億人口武器：坦克、裝甲車、飛機(jī)、火炮、軍艦等現(xiàn)代武器裝備，并首次使用雷達(dá)、火箭炮、導(dǎo)彈、原子彈等新式武器和技術(shù)第二次世界大戰(zhàn)時(shí)間：1931年9月-1945年9月9日45第八章相對論的建立和發(fā)展相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天文學(xué)、哲學(xué)思想有深遠(yuǎn)的影響。相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各個(gè)分支又一次綜合的結(jié)果。第八章相對論的建立和發(fā)展46

相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域。”——德布羅意相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突471.牛頓力學(xué)時(shí)空觀絕對的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關(guān)的流逝?！ｎD絕對空間，就其本質(zhì)來說，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的?！ｎD歷史背景：1.牛頓力學(xué)時(shí)空觀歷史背景：482、邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)由于人們把“以太”選作絕對靜止的參照系，因此在19世紀(jì)，人們熱衷于尋找出地球相對于以太的絕對速度。1881年，美國人邁爾耳遜設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是卻得到“0”結(jié)果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然是“零結(jié)果”。根據(jù)這一結(jié)果，“以太”顯然是一廂情愿的設(shè)想，盡管不斷改進(jìn)，但結(jié)論卻相同。2、邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)49“以太”的概念最早出現(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》一書中。按笛卡爾的觀點(diǎn)，“虛空”是不可能存在的，整個(gè)宇宙充滿著一種易動的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是“以太”。17世紀(jì)，惠更斯也用了“以太”的說法。麥克斯韋也援用“以太”的概念。他把“以太”看成電磁場的物質(zhì)基礎(chǔ),認(rèn)為電磁現(xiàn)象是“以太”運(yùn)動的表現(xiàn)。“以太”的概念最早出現(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的《哲503、真空中的光速根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，光速“c”應(yīng)為一常數(shù)，與牛頓力學(xué)的速度疊加法則相矛盾。4、物理學(xué)家面臨的選擇要么對牛頓力學(xué)做一些顧此失彼的解釋，修修補(bǔ)補(bǔ)，要么徹底拋棄，建立新的理論。3、真空中的光速51第一節(jié)愛因斯坦狹義相對論第一節(jié)愛因斯坦狹義相對論52一、走在愛因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲修改麥克斯韋方程佛格特1887年提出佛格特變換，與洛倫茲變換相似洛倫茲知道佛格特的工作，但沒有足夠注意。拉摩拉摩進(jìn)動和拉摩變換費(fèi)茲杰惹獨(dú)立地提出洛倫茲變換洛倫茲提出電子論和洛倫茲變換愛因斯坦讀過洛倫茲1895年的著作彭家勒提出相對性原理一、走在愛因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲53愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容課件54

1879年3月14日生于德國烏爾姆一個(gè)猶太人家庭。父親是小商人，母親是鋼琴家。上學(xué)后，成績平平，但愛動腦筋，12歲曾證明勾股定理。1896年，愛因斯坦正式成為一個(gè)無國籍的人，并考進(jìn)了聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。大學(xué)期間，愛因斯坦迷上了物理學(xué)，一方面，他閱讀了德國著名物理學(xué)家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學(xué)，并經(jīng)常去理論物理學(xué)教授的家中請教。另一方面，他的大部分時(shí)間是去物理實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn)，迷戀于直接觀察和測量。二、愛因斯坦簡介1879年3月14日生于德國烏爾姆一個(gè)猶太人家庭。551900年蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系畢業(yè)。1902年在瑞士聯(lián)邦專利局工作1909年離開專利局任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授。1911年任布拉格德語大學(xué)理論物理學(xué)教授，1912年任母校蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)教授。1914年，應(yīng)能斯脫的邀請，回德國任威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學(xué)教授，直到1933年。1900年蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系畢業(yè)。561920年應(yīng)洛倫茲和埃倫菲斯特（即P.厄任費(fèi)斯脫）的邀請，兼任荷蘭萊頓大學(xué)特邀教授?；氐聡坏剿膫€(gè)月，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他投入公開的和地下的反戰(zhàn)活動。他經(jīng)過8年艱苦的探索,于1915年最后建成了廣義相對論。

1921年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1933年受德國納粹迫害，移居美國，為普林斯頓研究所研究員。1940年加入美國國籍。1955年4月18日去世。1920年應(yīng)洛倫茲和埃倫菲斯特（即P.厄任費(fèi)斯脫）的邀請，兼57

三、相對論的建立

1900年，愛因斯坦大學(xué)畢業(yè)。1901年，他獲得了瑞士國籍。1902年，在他的朋友格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦終于在伯爾尼的瑞士聯(lián)邦專利局找到了一份穩(wěn)定的工作——當(dāng)技術(shù)員。在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué)。愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問題使他不安，這就是絕對參照系中以太的存在。三、相對論的建立58

他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過研究，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實(shí)際意義。于是他想到：絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀(jì)末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對時(shí)空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。

他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是59

他的狹義相對論認(rèn)為“在互相作直線----非加速運(yùn)動的所有參考系中，自然規(guī)律是同樣有效的?！彼囊馑季褪牵耗阏驹趦蓚€(gè)互相做直線運(yùn)動的---非加速的參考系中，你看到的物理現(xiàn)象是相同的。------相對性原理。他的相對論，把所謂作為光波載體的以太，從物理學(xué)世界中清除出去了?！盁o以太物理學(xué)”乃是愛因斯坦思想的成果。他的狹義相對論認(rèn)為“在互相作直線----非加速運(yùn)動60

1905年5月的一天，愛因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過反復(fù)思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒有絕對的定義，時(shí)間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個(gè)星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。

1905年他發(fā)表了有關(guān)狹義相對論的三篇文章。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已61

愛因斯坦的相對論認(rèn)為：光速是一切過程不可能達(dá)到的最高臨界速度，無論怎樣加力，把能量加上去，都不可能使物體達(dá)到或超過光速。-------這就是光速恒定。這就引出相對論的兩個(gè)著名的“佯謬”。所謂佯謬，就是純粹從邏輯上對一個(gè)理論做結(jié)論推導(dǎo)，推導(dǎo)出一個(gè)明顯不合邏輯或者常識的結(jié)論或者兩個(gè)相互矛盾的結(jié)果。其中一個(gè)佯謬是：快速運(yùn)動著的一把尺子，它跟靜止?fàn)顟B(tài)相比，在運(yùn)動方向上長度縮短了。愛因斯坦的相對論認(rèn)為：光速是一切過程不可能達(dá)到的最高62

另外一個(gè)佯謬就是：快速運(yùn)動參考系中的鐘，與靜止參考系中的鐘相比，它走慢了。----這就是所謂的時(shí)間膨脹，也叫時(shí)間延遲。

在1911年4月波隆哲學(xué)大會上，法國物理學(xué)家P．朗之萬用雙生子實(shí)驗(yàn)對狹義相對論的時(shí)間膨脹效應(yīng)提出了質(zhì)疑，設(shè)想的實(shí)驗(yàn)是這樣的：一對雙胞胎，一個(gè)留在地球上，另一個(gè)乘坐火箭到太空旅行。飛行速度接近光速，在太空旅行的雙胞胎回到地球時(shí)只不過兩歲，而他的兄弟早已死去了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)過了200年了。這就是著名的雙生子詳謬。雙生子佯謬說明狹義相對論在邏輯自恰性上還存在不完善的地方。另外一個(gè)佯謬就是：快速運(yùn)動參考系中的鐘，與靜止參考系中63

激烈的爭論沒有停息過。到20世紀(jì)三十年代末，從激發(fā)氫原子的實(shí)驗(yàn)中，無可置疑地證明了時(shí)間的相對膨脹。后來，在宇宙線的研究過程中再次明確地得到了證實(shí)。這就是說人們在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，的確發(fā)現(xiàn)快速運(yùn)動的參考系中的時(shí)鐘變慢了，特別是宇宙線粒子的速度特別大，這一效應(yīng)的數(shù)值也較大。激烈的爭論沒有停息過。到20世紀(jì)三十年代末，從激發(fā)氫原64二、愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容1.兩個(gè)基本假設(shè)1905年9月,愛因斯坦26歲,在德國的《物理學(xué)雜志》發(fā)表了三篇文章，在文章中提出了兩個(gè)基本假設(shè)：

狹義相對論的相對性原理光速不變原理二、愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容65

將革命性的時(shí)空觀引入物理學(xué)，雖然它只具有最少的兩個(gè)基本假設(shè)，但它與各種實(shí)驗(yàn)都符合。從這兩個(gè)假設(shè)，他得出了洛倫茲變換：將革命性的時(shí)空觀引入物理學(xué)，雖然它只具有最少的兩個(gè)基本假設(shè)66

表明了時(shí)間與空間與運(yùn)動的不可分割的聯(lián)系，使牛頓力學(xué)得到推廣，將時(shí)空觀普遍化。2.由狹義相對論引出的觀念的變化同時(shí)性的相對性——長度收縮與運(yùn)動有關(guān)——時(shí)間膨脹效應(yīng)——速度變換公式——質(zhì)速關(guān)系——質(zhì)能關(guān)系——能量動量關(guān)系3.狹義相對論是基礎(chǔ)牢固，邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)緊，形式完美的物理理論，成為近代物理的支柱。表明了時(shí)間與空間與運(yùn)動的不可分割的聯(lián)系，使牛頓力學(xué)67三、愛因斯坦的研究特色:1.對經(jīng)典理論的大膽懷疑經(jīng)過十年的思索,首先看破以太,并最終拋棄了以太,也就是拋棄了絕對運(yùn)動。馬赫的真正偉大，就在于他的堅(jiān)不可摧的懷疑態(tài)度和獨(dú)立性。——愛因斯坦相對論以最勇敢的物理論而名揚(yáng)于世。三、愛因斯坦的研究特色:68

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2.博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取16歲時(shí),愛因斯坦就思考:“如果我以速度c追隨一條光線運(yùn)動”，我應(yīng)當(dāng)看到什么現(xiàn)象呢？愛因斯坦得知邁克爾遜零結(jié)果，想:“若零結(jié)果是事實(shí)，那地球相對以太運(yùn)動的想法就是錯(cuò)誤的!”愛因斯坦讀了洛侖茲1895年的論文，認(rèn)為其方程若成立，必然導(dǎo)致光速不變的概念。

電磁感應(yīng)的現(xiàn)象迫使我假設(shè)(狹義)相對性的原理，必須克服的困難在于真空中光速的不變性.——愛因斯坦2.博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取70

愛因斯坦認(rèn)為:“若光速不變成立，則將出現(xiàn)同時(shí)性的相對性?！本瓦@樣，愛因斯坦建立了新的時(shí)空觀，他認(rèn)為時(shí)間與運(yùn)動有關(guān)，而不是割離的，建立了四維空間。

愛因斯坦認(rèn)為:“若光速不變成立，則將出現(xiàn)同時(shí)性的相對性?！?13.追求科學(xué)理論的和諧與自然認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)完備，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛頓運(yùn)動定律與事實(shí)有矛盾，就應(yīng)該改革它。認(rèn)為科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)邏輯簡單，概念和假設(shè)應(yīng)當(dāng)盡量地少，理論應(yīng)當(dāng)簡潔。認(rèn)為科學(xué)應(yīng)當(dāng)對稱和諧。

愛因斯坦在總結(jié)回憶時(shí)說：“它象在爬山一樣，越是往上爬，越是得到寬廣的視野，并且越能顯示出我們的出發(fā)點(diǎn)與其周圍廣大地域之間的出乎意外聯(lián)系?！?.追求科學(xué)理論的和諧與自然72四、狹義相對論被承認(rèn)的曲折經(jīng)歷1.普遍讀不懂，不理解

在法國，1910年幾乎沒有人提到愛因斯坦。J·J·湯姆遜1909年：“以太對我們來說，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少?！?/p>

馬吉1911年：“我相信，現(xiàn)在沒有一個(gè)活著的人會斷言，時(shí)間會是速度的函數(shù)。”邁克爾遜至死（1931年）還念念不忘“可愛的以太”，認(rèn)為相對論是個(gè)怪物。四、狹義相對論被承認(rèn)的曲折經(jīng)歷73

2.普朗克支持：“如果相對論是正確的，愛因斯坦就是20世紀(jì)的哥白尼。”并發(fā)表了愛因斯坦的文章。所以人們常說，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)!3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1906年，考夫曼得出了否定相對論的結(jié)果，相對論受到考驗(yàn)！但1907年，愛因斯坦發(fā)表文章，堅(jiān)信相對論是正確的。2.普朗克支持：“如果相對論是正確的，愛因斯坦就是20世紀(jì)74愛因斯坦及論文愛因斯坦及論文751911年，索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意愛因斯坦的相對論方面的工作。到了1919年，愛因斯坦的廣義相對論得到了日全食觀測的證實(shí)，他成為公眾矚目的人物。狹義相對論才開始受到應(yīng)有的重視。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會主席奧利維拉為此專門寫信給他。1911年，索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有76支持相對論的物理學(xué)家：普朗克，當(dāng)時(shí)作為《物理學(xué)年鑒》的主編，認(rèn)識到愛因斯坦論文的價(jià)值，及時(shí)給予發(fā)表。普朗克的學(xué)生勞厄，在1911年就致力于宣傳相對論。閔可夫斯基，在1908年提出四維空間，使相對論的規(guī)律以簡潔的形式表達(dá)。泡利，在1921年受他老師的推薦為《數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》撰寫了一篇關(guān)于相對論的長篇綜述文章，得到了愛因斯坦的高度評價(jià)，至今還是相對論方面的名著之一。布雪勒，在1908年用改進(jìn)的方法測量電子的質(zhì)量，得到的結(jié)果與相對論的理論基本相符。支持相對論的物理學(xué)家：771938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實(shí)驗(yàn)，結(jié)論更接近相對論的理論。1940年，羅吉斯通過實(shí)驗(yàn)再次證明愛因斯坦理論的正確性。1938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒實(shí)驗(yàn)，結(jié)論更接近相對78

第二節(jié)廣義相對論

愛因斯坦最初提出的慣性系相對論適用于相對做勻速直線運(yùn)動的參考系之間，我們稱之為狹義相對論。而事實(shí)上，在真實(shí)世界中，慣性參考系只是個(gè)理想狀況。愛因斯坦不久以后，就得出一個(gè)令人沮喪的結(jié)論：在狹義相對論的框架下，絕對不可能有完善的重力理論。第二節(jié)廣義相對論愛因斯坦最初提出的慣性系相對論適用791907年，他腦海中突然冒出一個(gè)靈感：“一個(gè)在半空中墜落的人，完全感覺不到自己的重量，應(yīng)該覺得自己好象置身于慣性系中?！备鶕?jù)這個(gè)平淡無奇的想法，同年他就寫出了第一篇關(guān)于廣義相對論的論文，提出廣義相對論的兩個(gè)假設(shè)：一、等效原理：加速度造成的“重量感”與真正的重力效應(yīng)一模一樣。二、廣義相對性原理：物理定律在任何參考系中都具有相同形式。1907年，他腦海中突然冒出一個(gè)靈感：“一個(gè)在半空中墜落的人80

1916年,愛因斯坦完成了廣義相對論，提出了三大天文效應(yīng)，其中之一，引力場將使星光彎曲的現(xiàn)象。1919年，英國愛丁頓，率領(lǐng)一支考察隊(duì)，利用日全食,觀察到這一現(xiàn)象，并拍攝了照片。相對論的成功震驚了世界!愛因斯坦成為公眾矚目的人。

愛因斯坦的狹義相對論基本內(nèi)容課件81小插曲：1905年愛因斯坦寫的文稿只有三頁，當(dāng)時(shí)可以說一文不值，1936年，卻價(jià)值連城，賣了400萬美元，武裝了一支支援西班牙反對法西斯獨(dú)裁的軍隊(duì)。