第1講從愛因斯坦到霍金

改變世界的物理學(xué)趙崢北京師范大學(xué)物理系2009年9月從愛因斯坦到霍金的宇宙趙崢北京師范大學(xué)物理系2011年10月2013年3月修改第一講愛因斯坦

和

量子論與相對論的誕生一、物理學(xué)的開端二、愛因斯坦的豐收年三、相對論的建立四、狹義相對論物理學(xué)（Physics）這個詞起源于亞歷士多德公元前300多年，古希臘蘇格拉底柏拉圖亞歷士多德一、物理學(xué)的開端

原天地之美，

而達萬物之理。——莊子（與諸生歌于天泉橋）其一萬里中秋月正晴，四山云靄忽然生。須臾濁霧隨風(fēng)散，依舊青天此月明?？闲帕贾幻粒瑥乃馕镓M能攖。老夫今夜狂歌發(fā)，化作鈞天滿太清。王陽明《月夜二首》其二處處中秋此月明，不知何處亦群英。須憐絕學(xué)經(jīng)千載，莫負(fù)男兒過一生。影響尚疑朱仲晦，支離羞作鄭康成。鏗然舍瑟春風(fēng)里，點也雖狂得我情。注：靄（ǎi）昧（mèi）攖（yīng）關(guān)于探究式學(xué)習(xí)*西方的洋學(xué)堂*中國的書院細(xì)推物理須行樂，何用浮名絆此生。

杜甫物含妙理總堪尋

乾隆題頤和園寶云閣（境自遠(yuǎn)塵皆入詠）阿基米德

（亞歷山大科學(xué)院，前287-前212年）浮力定律杠桿原理“給我支點，我可以撬動地球！”重心的概念1564年米開朗基羅逝世莎士比亞、伽利略出生

“物理學(xué)”真正開始于伽利略他使物理學(xué)成為一門“實驗的科學(xué)”、“測量的科學(xué)”（彭加勒：凡是不能測量的東西都不能算是自然科學(xué)）伽利略慣性定律相對性原理自由落體定律慣性定律虛空中運動的原子，由于沒有阻力，將一直等速運動下去（公元前400年左右，德謨克利特等古希臘哲學(xué)家）亞里士多德：力是維持物體運動的原因伽利略斜面實驗：維持運動不需要力重申了慣性定律伽利略的斜面實驗相對性原理

地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。 漢《尚書緯?考靈曜》伽利略《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）《兩門新科學(xué)》（1638年）自由落體定律比薩斜塔上的自由落體實驗伽利略的斜面實驗斜面運動是“減緩了的”或“沖淡了的”自由落體運動。斜面實驗慣性定律自由落體定律熟能生巧，舉一反三1642年（對物理學(xué)重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣誕節(jié)之夜牛頓出生（儒略歷1642.12.25格利高里歷1643.1.4）（1644年李自成進京，清軍入關(guān)）天主教國家（拉丁語系：意、法、西、葡、拉美）先用新歷基督教國家（日耳曼語系：英、德、荷、美）

后用新歷東正教國家（斯拉夫語系：俄、白、烏）

十月革命后才用新歷牛頓集經(jīng)典力學(xué)之大成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（45歲）《光學(xué)》（65歲）牛頓的物理體系絕對時間絕對空間慣性系相對性原理力學(xué)三定律萬有引力定律自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中上帝說，讓牛頓去吧，于是一切成為光明?！ㄆ展鈱W(xué)牛頓的微粒說戰(zhàn)勝惠更斯的波動說（波動說：笛卡爾、胡克、惠更斯）1801年，托馬斯·楊的干涉實驗波動說戰(zhàn)勝微粒說英國人托馬斯﹒楊（ThomasYoung）是歷史上有名的神童、才子，2歲就能讀書，4歲時將《圣經(jīng)》通讀了2遍，他14歲時已通曉拉丁、希臘、法、意、希伯來、波斯和阿拉伯等多種語言，還會演奏多種樂器。他在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、哲學(xué)、語言、考古等領(lǐng)域都有貢獻。托馬斯﹒楊先當(dāng)醫(yī)生，研究視覺，發(fā)現(xiàn)了眼睛散光的原因，轉(zhuǎn)而研究光學(xué)，完成了光的雙縫干涉實驗。他認(rèn)識到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。此后他又破譯了埃及的拉希德石碑上的一些文字，對考古學(xué)做出了重大貢獻。法國人商博良（另一位神童）在此基礎(chǔ)上進一步努力，終于完全破譯了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的歷史學(xué)基礎(chǔ)。波動光學(xué)光既是波動就應(yīng)有載體亞歷士多德月上世界月下世界波動光學(xué)光是以太的彈性振動電磁學(xué)光波是電磁波麥克斯韋從介質(zhì)的彈性振動導(dǎo)出了電磁學(xué)的基本方程組熱學(xué)熱力學(xué)第一定律（能量守恒）。邁爾，焦耳，亥姆霍茲熱力學(xué)第二定律（卡諾定理）?？ㄖZ，克勞修斯卡諾從熱質(zhì)說“導(dǎo)出”了卡諾定理熱力學(xué)第三定律。能斯特?zé)崃W(xué)第零定律二、愛因斯坦的豐收年

1900，開爾文勛爵：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)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。黑體輻射邁克耳孫實驗量子論（1900年）相對論（1905年）黑體輻射維恩位移定律：量子論的誕生量子論光子論愛因斯坦解釋光電效應(yīng)1905愛因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國烏爾姆中，小學(xué)時代德國慕尼黑1895-1896瑞士阿勞中學(xué)一年1896-1900蘇黎士工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)1900-1902艱辛求職，四面碰壁1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況：1901-------1篇論文

1902-------2篇論文

1903-------1篇論文

1904-------1篇論文 （“奧林匹亞科學(xué)院”）愛因斯坦的豐收年1905-------5篇

3月解釋光電效應(yīng)——光子說（6月發(fā)表）

4月博士論文：測定分子大小的新方法（4月提交）

5月解釋布朗運動（7月發(fā)表）6月“論運動物體的電動力學(xué)”——狹義相對論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）愛因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914進入大學(xué)工作（蘇黎士，布拉格等地）1914-1933柏林大學(xué)教授，德國物理研究所所長、院士1915提出廣義相對論1933-1955美國普林斯頓高級研究所研究員1955年4月18日逝世兩次婚姻米列娃對愛因斯坦的幫助討論、通信、署名希爾伯特：沒有比專利局對愛因斯坦更適合的工作單位了

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)校教育沒有好印象。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)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)，成為了孕育相對論的土壤”（在阿勞中學(xué)16歲的愛因斯坦曾經(jīng)思考“追光悖論”）三、相對論的建立

光波是“以太”的彈性振動。以太相對于地球運動嗎？光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相對于地球有運動。邁克耳孫實驗（1881，1887）：沒有測出這一運動。1.光行差現(xiàn)象2.邁克耳孫實驗c+vc-vv以太運動方向邁克耳孫沒有觀測到以太漂移

矛盾第二朵烏云：麥克耳孫實驗光行差現(xiàn)象光行差：以太相對地球運動，有漂移，似乎運動介質(zhì)（地球）不帶動以太邁克耳孫實驗：以太相對地球靜止，無漂移，似乎運動介質(zhì)（地球）帶動了以太洛倫茲的解釋：以太相對于絕對空間靜止。洛倫茲收縮：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換（速度疊加的平行四邊形法則）3.伽利略變換（任意兩個慣性系間的相對變換）麥克斯韋理論在伽利略變換下會變化從伽利略變換推不出洛侖茲收縮伽利略變換矛盾電磁理論

洛侖茲收縮4.洛倫茲變換：相對于絕對空間的變換（洛倫茲的解釋）用洛倫茲變換①可推出洛倫茲收縮②麥克斯韋電磁理論不變代價是放棄了“相對性原理”5.愛因斯坦的探索愛因斯坦贊同馬赫對牛頓絕對時空觀的批評（《力學(xué)史評》）“相對性原理”是一條根本性原理，應(yīng)當(dāng)堅持從“斐佐實驗”與“光行差現(xiàn)象”的矛盾，愛因斯坦認(rèn)識到應(yīng)該放棄以太理論從雙星軌道不發(fā)生形變知道光速與光源運動無關(guān)認(rèn)識到光速的絕對性，提出“光速不變原理”雙星軌道不變形麥克斯韋理論中電磁波速（光速）是常數(shù)c 追光悖論

支持光速不變原理（光速的絕對性）伽利略變換下的速度迭加（平行四邊形法則）上述速度疊加（平行四邊形）法則與光速不變原理矛盾即伽利略變換與光速不變原理矛盾1905年與貝索的討論突然意識到：時間不是絕對的，“同時”的定義依賴于對信號傳播速度的約定（規(guī)定）。6.愛因斯坦的新理論相對性原理光速不變原理洛倫茲變換（愛因斯坦的解釋）愛因斯坦：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相對變換

是相對速度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：相對論相對論認(rèn)為“同時”是相對的（早已認(rèn)識到“同地”是相對的）動鐘變慢：時間是相對的動尺收縮：

空間是相對的質(zhì)能關(guān)系：四.狹義相對論兩個作相對運動的慣性系洛倫茲變換

（1）逆變換

（2）1.同時的相對性2.動鐘變慢對S系，A是動鐘，A靜置于S’系中，從（4）式得對S’系，B是動鐘，B靜置于S系中，從（3）式得，

（6）3.動尺收縮在慣性系中靜止的，長度的尺，在系中同時測量其兩端（即系中的時間與分別為測量尺的前后兩端的時刻，由于同時測尺的兩端，所以），從（1）式推出的

得到長度（7）4.速度迭加

（8）

注意：從上式可知，通過速度迭加不可能超光速5.靜質(zhì)量與動質(zhì)量

（9）（和m是否都是質(zhì)量？）6.質(zhì)能關(guān)系

（10）（11）質(zhì)量與能量是同一事物的兩個側(cè)面，不是質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化7.經(jīng)典力學(xué)的動能

（12）經(jīng)典物理中的動能（13）8.世界線四維時空中的世界線（14）9.固有時（14）式中當(dāng)時，稱（15）為固有時，當(dāng)不為0時

（16）其中“固有時”就是質(zhì)點（觀測者）世界線的長度，也就是質(zhì)點（觀測者）自身經(jīng)歷的時間10.雙生子佯謬雙生子佯謬

（17）（18）比鄰星距地球4.3光年，以3g加速到25萬公里/秒，然后自由飛行，再以3g減速到比鄰星，然后以同樣方式返回。

火箭上7年，地球上12年到銀河系中心旅行往返均以2g加速

火箭上40年，地球上6萬年是否能得出相反的結(jié)論？（火箭上的人看來，地球相對自己加速，是否可以得出地球上的鐘比火箭上的鐘慢的相反結(jié)論？）答案：不行！三維加速度是相對的，四維加速度是絕對的。

愛因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅持相對性原理（拋棄絕對空間和以太）（2）認(rèn)識到光速是絕對的（3）時間能量

空間動量究竟是誰創(chuàng)建了相對論？1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902龐加萊（彭加勒）否認(rèn)絕對空間，絕對時間（但仍承認(rèn)有以太）批評相對于絕對空間的動尺收縮假設(shè)，認(rèn)為“相對性原理”適用于電磁理論1904洛倫茲部分接受龐加萊批評提出地方時間（非真實時間）給出洛倫茲變換（1887佛格特；1898拉摩；斐茲杰惹）

給出電子質(zhì)量公式（1904年）

1904龐加萊·正確表述“相對性原理”·推測真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；·