愛因斯坦霍金與相對論的發(fā)展

愛因斯坦霍金與相對論的發(fā)展第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日愛因斯坦、霍金與相對論的發(fā)展

主講：北京師范大學趙崢教授

2004年10月北師大04屆博士政治課講座物含妙理總勘尋－－頤和園銅亭第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日1943年8月出生于四川成都。1967年畢業(yè)于中國科技大學物理系，1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位（導師劉遼教授），1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位（導師普利高津教授，諾貝爾獎金獲得者）。曾任北京師范大學研究生院副院長，物理系主任?，F(xiàn)為北京師范大學物理系教授，理論物理博士生導師、教育學博士生導師，中國引力與相對論天體物理學會理事長。

趙崢教授第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日趙崢教授長期從事理論物理的教學與研究，為本科生和研究生講授過統(tǒng)計物理、量子力學、近代物理學進展、物理學史、廣義相對論、黑洞物理學和彎曲時空量子場論等課程。參加和承擔過多項國家自然科學基金項目，在相對論、黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100余篇，在黑洞熱性質(zhì)、時空奇點、鐘速同步和熱力學的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性的工作。1986年、1996年兩次獲國家教委科技進步二等獎。

第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日主要著作有《黑洞的熱性質(zhì)與時空奇異性》、《黑洞與彎曲的時空》，科普著作有《探求上帝的秘密-從哥白尼到愛因斯坦》、《物理學與人類文明》，其中《黑洞的熱性質(zhì)

與時空奇異性》和《探求上帝的秘密》分獲第11屆和第12屆中國圖書獎。

趙崢教授長期為學科教學論專業(yè)的研究生、課程班學生、教育碩士講授“近代物理概論”、“愛因斯坦與霍金的宇宙”等課程。2000年開始擔任國家教育部中學《科學課程標

準》研制組組長，2001年開始主持編寫初中《科學》試驗教材，該教材已開始在部分地區(qū)試用。

第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日1642年1月8日，伽利略逝世，同年圣誕節(jié)牛頓誕生愛因斯坦（1879年3月14日～1955年4月18日）霍金（1942年2月18日～）伽利略逝世300周年的那一天霍金誕生了相對論（狹義相對論）：1905年廣義相對論：1915年明年是相對論發(fā)表100周年，愛因斯坦逝世50周年

謹以本講座做為紀念活動的前奏！第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日

愛因斯坦生平：1879年3月14日誕生于德國烏爾姆中小學時代德國慕尼黑1895年瑞士阿勞中學補習班一年1896～1900年蘇黎世工業(yè)大學1902～1909年

伯爾尼發(fā)明專利局1909～1914年進入大學工作（瑞士、布拉格等地）1914～1933年德國物理研究所所長，柏林大學教授，院士1915年提出廣義相對論1933～1955年美國普林斯頓大學高級研究所第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日

科研情況（發(fā)表論文）：1901年發(fā)表論文1篇1902年發(fā)表論文2篇1903年發(fā)表論文1篇1904年發(fā)表論文1篇1905年發(fā)表論文5篇測定分子的大小（博士論文）布朗運動相對論E＝mc2光子說第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日相對論（狹義相對論SpecialRelativity）

光是電磁波，是以太的波動理論上的困難麥克斯韋電磁理論作為相對性原理表達式的伽利略變換

光速對不同參考系應不同，不應是同一個C值光速C是一個常數(shù)第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日實驗上的困難地球相對于以太運動嗎？光行差現(xiàn)象：地球相對以太有運動第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日邁克爾遜實驗：未測到以太漂移（1887年）第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日洛倫茲等人為解釋邁克爾遜實驗提出（1892年）洛倫茲收縮第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日x’=x-vty’=yz’=zt’=tx’=y’=yz’=zt’=洛倫茲變換伽利略變換第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日洛倫茲的觀點放棄相對性原理麥克斯韋電磁理論只對絕對空間正確（光相對絕對空間的速度是c）存在洛倫茲收縮用洛倫茲變換取代伽利略變換（兩種變換不僅數(shù)學形式不同，而且物理解釋也不同）第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日1905年愛因斯坦在不知道洛倫茲工作的情況下光行差現(xiàn)象斐索實驗（邁克爾遜實驗）從相對論原理

光速不變原理愛因斯坦的理論受到洛倫茲的反對，洛倫茲稱其為相對論洛倫茲變換考慮第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日相對論提出動尺收縮，動鐘變慢，雙生子佯謬，第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、廣義相對論（GeneralRelativity）1）狹義相對論的兩個困難2）廣義相對論的物理基礎(chǔ)3）廣義相對論的數(shù)學基礎(chǔ)4）廣義相對論的核心5）實驗驗證第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日1）狹義相對論的兩個困難慣性系無法定義萬有引力定律納不進相對論框架第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日2）廣義相對論的物理基礎(chǔ)廣義相對性原理等效原理馬赫原理第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日空間曲率平行線三角形三內(nèi)角之和圓周率舉例黎氏幾何正無>1800<π球面歐氏幾何零一條＝1800＝π平面羅氏幾何負兩條以上<1800>π偽球面歐氏幾何、羅氏幾何（鮑耶、高斯、羅巴切夫斯基）、黎氏幾何3）廣義相對論的數(shù)學基礎(chǔ):黎曼幾何與張量分析第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日4）廣義相對論的核心場方程運動方程萬有引力不是真正的力，是時空彎曲的表現(xiàn)行星繞日運動

時空曲率物質(zhì)

物質(zhì)使時空彎曲

測地線方程

（伽利略的有趣“錯誤”）地球上的自由落體運動都是慣性運動第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日5）實驗驗證引力紅移、光線偏折、行星軌道近日點的進動第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、膨脹的宇宙1915年廣義相對論1917年愛因斯坦：有限無邊均勻靜態(tài)宇宙1922年弗利德曼：膨脹或脈動的宇宙1929年哈勃定律：V＝HD1948年α、β、γ的大爆炸模型（伽莫夫）1965年發(fā)現(xiàn)微波背景輻射（彭齊亞斯、威爾遜）1979年古斯（A.Guth）暴脹模型第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日宇宙項：

宇宙項（1917年提出，1923年放棄）

第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日亮星

0.5％

重子4％中微子0.3％冷暗物質(zhì)29％

起源于λ

動力學暗能量

GR在宇觀尺度失效物質(zhì)暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)

暗能量65％第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日4、黑洞1）從牛頓理論預言（200年前，拿破侖時代）米歇爾（1783）拉普拉斯（1796）≥

≤最亮的星有可能是看不見的(暗星)第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日《天體力學》第一版（1796年）、第二版（1799年）、第三版（1808年）

第三版中去掉“暗星”的預言原因：1801年托馬斯·楊完成干涉實驗，光的波動說（惠更斯）戰(zhàn)勝微粒說（牛頓）神童、奇才－托馬斯·楊（ThomsYoung）英國人第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2）從廣義相對論預言＊1916年史瓦西解，史瓦西時空中的奇點與奇面＊1939年奧本海默從GR預言黑洞，r=(靜態(tài)，球?qū)ΨQ)（遭到愛因斯坦,愛丁頓，惠勒等人反對）當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星（天狼B星）并已預言了中子星（1932年朗道）

第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日3）白矮星與中子星A、天狼星（大犬座α）天空中最亮的恒星，距我們9光年青云衣兮白霓裳，舉長矢兮射天狼。

操余弧兮反淪降，援北斗兮酌桂漿。－屈原九歌（七）東君老夫聊發(fā)少年狂，左牽黃，右擎蒼。

錦帽貂裘，千騎卷平岡。

欲報傾城隨太守，親射虎，看孫郎。酒酣胸膽尚開張，鬢微霜，又何妨！

持節(jié)云中，何日遣馮唐？

會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼。－蘇東坡江城子密州出獵

第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日＊1834年發(fā)現(xiàn)天狼星位置有周期性變化天狼B星是白矮星，密度175kg／cm3，表面溫度1萬度1862年發(fā)現(xiàn)天狼伴星（B星）白矮星靠電子間泡力斥力支撐。錢德拉塞卡：相對論性電子氣；白矮星質(zhì)量上限1.4M錢德拉塞卡與愛丁頓的爭論，泡力的觀點第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日B、中子星與奧本海默極限中子的發(fā)現(xiàn)：

約里奧·居里夫婦（1931年）查德維克（1932年）

1935年的諾貝爾物理獎與化學獎中子的預言：

1932年郎道中子星的質(zhì)量上限2～3M：

1939年奧本海默中子星(脈沖星)的發(fā)現(xiàn)

1967年休伊士與貝爾巡天觀測，“小綠人”第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日C、主序星、白矮星、中子星與黑洞的比較星體半徑(公里)密度(/cm3)發(fā)現(xiàn)時間質(zhì)量上限（M）太陽70萬～1克白矮星1萬～1噸1862年（天狼伴星）1.4中子星10～10億噸1967年（脈沖星）2～3黑洞3～100億噸第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日4）黑洞研究的高速發(fā)展（1963-1974）1961年

Kerr解轉(zhuǎn)動、軸對稱時空1964年奇性定理1967年中子星的發(fā)現(xiàn)、無毛定理1971年面積定理1972年～1974年黑洞熱力學1974年霍金輻射80年代后無重大進展第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日A、黑洞熱力學的建立（主要幾步）①無毛定理，M，Q，J（1967年，伊斯雷爾等）②面積定理（1971年，霍金）③黑洞面積就是熵（1972年，貝根斯坦）δA≥0,即δS≥0Bekenstein公式：轉(zhuǎn)動帶電剛體：普通熱力學

④霍金等人反對，但給出黑洞力學四定律（1973年）⑤Unruh效應：在真空中做勻加速直線運動的觀測者，發(fā)現(xiàn)自己處于熱浴之中，T∝a⑥霍金輻射：黑洞通過量子隧道效應產(chǎn)生熱輻射，T∝K第三十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日B、關(guān)于奇點定理①黑洞與白洞的奇點、奇環(huán)，大爆炸宇宙的奇點②卡拉特尼可夫與栗弗席茲的錯誤③彭若斯的工作，奇點看作時間的開始與結(jié)束。（