物理學(xué)史與基本物理概念簡(jiǎn)介市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)?wù)n件省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

“牛頓啊！請(qǐng)?jiān)徫摇Ｄ闼l(fā)覺(jué)道路，在你所處那個(gè)時(shí)代，是一位具有高思維能力和發(fā)明力人所能發(fā)覺(jué)唯一道路。你所發(fā)明概念，甚至今天仍然指導(dǎo)著我們物理思想，雖然我們目前懂得，假如要愈加深入地理解多種聯(lián)系，那就必須用另外某些離直接經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域較遠(yuǎn)概念來(lái)替代這些概念.”——愛(ài)因斯坦在紀(jì)念牛頓誕生300周年紀(jì)念會(huì)上發(fā)言第八章時(shí)空觀革命——相對(duì)論1/86AlbertEinstein(1879-1955)2/86生平和科學(xué)奉獻(xiàn)：

1879年3月14日上午11時(shí)30分，愛(ài)因斯坦出生在德國(guó)烏爾姆市班霍夫街135號(hào)一種小商人家庭。父母都是猶太人。三歲才學(xué)會(huì)說(shuō)話。1884年爸爸送給愛(ài)因斯坦一種指南針，引發(fā)了愛(ài)因斯坦對(duì)自然科學(xué)愛(ài)好。同年家里開(kāi)始聘任家庭教師對(duì)他進(jìn)行教育。1885年愛(ài)因斯坦開(kāi)始學(xué)習(xí)小提琴，直到十三歲，小提琴成了愛(ài)因斯坦一生最大業(yè)余愛(ài)好。3/861889年愛(ài)因斯坦遇到MaxTalmud（一種窮困醫(yī)學(xué)院學(xué)生），開(kāi)始受到科學(xué)啟蒙，并經(jīng)常和Talmud討論科學(xué)和哲學(xué)問(wèn)題，直到1894年。1891年愛(ài)因斯坦自學(xué)到歐氏幾何學(xué)，深受震撼。1891-1895年，愛(ài)因斯坦自學(xué)高等數(shù)學(xué)，包括微積分。1886年愛(ài)因斯坦開(kāi)始上學(xué)接收正規(guī)學(xué)校教育，在學(xué)校期間性格孤單，成績(jī)優(yōu)秀，尤長(zhǎng)于數(shù)學(xué)和拉丁文。4/861894年他爸爸經(jīng)商失敗后去了米蘭，愛(ài)因斯坦留在慕尼黑完成中學(xué)學(xué)業(yè)，但膽怯服兵役，半途退學(xué)去意大利與家人會(huì)合。1895年，愛(ài)因斯坦報(bào)考瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院，未被錄取。接收Weber專家提議在瑞士一間德文中學(xué)學(xué)習(xí)一年，并取得中學(xué)畢業(yè)證書。1896年，愛(ài)因斯坦再次報(bào)考瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院，被錄取，進(jìn)入蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院師范系學(xué)習(xí)物理。5/86他能各門課都及格是得益于一種朋友M.Grossmann極好課堂筆記。在學(xué)校他不能算一位好學(xué)生，一般課都缺席，自學(xué)理論物理學(xué)前沿書，如Maxwell典型電磁理論等。在校期間和同窗MilevaMaric成為朋友，1923年兩人結(jié)婚，1923年離婚。6/861923年7月，愛(ài)因斯坦從蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院畢業(yè)。由于他對(duì)某些功課不熱心，以及對(duì)老師態(tài)度冷漠，被回絕留校。他找不到工作，靠做家庭教師和代課教師過(guò)活。期間申請(qǐng)作W.Ostwald（1909諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）和KamerlinghOnnes（1913諾貝爾物理學(xué)講得主）助手均被拒。1923年12月，愛(ài)因斯坦完成第一篇論文，并向德國(guó)物理年鑒AnnalenDerPhysik投稿。1923年2月，愛(ài)因斯坦加入瑞士籍。7/861923年6月，愛(ài)因斯坦在大學(xué)同窗M.Grossmann爸爸幫助下在瑞士伯爾尼專利局謀得一種試用三等技術(shù)專家位置，1923年轉(zhuǎn)為永久職位。1923年，物理學(xué)奇跡年1923年，愛(ài)因斯坦在科學(xué)史上發(fā)明了一種史無(wú)前例奇跡。這一年他寫了六篇論文，在3月到9月這六個(gè)月中，利用在專利局每天八小時(shí)工作以外業(yè)余時(shí)間，在三個(gè)領(lǐng)域做出了四個(gè)有劃時(shí)代意義奉獻(xiàn)，他刊登了有關(guān)光量子說(shuō)、分子大小測(cè)定法、布朗運(yùn)動(dòng)理論和狹義相對(duì)論這四篇主要論文。8/861923年3月，《有關(guān)光產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化一種推測(cè)性觀點(diǎn)》23年后才由密立根給予試驗(yàn)證明。愛(ài)因斯坦由于“光電效應(yīng)定律發(fā)覺(jué)”這一成就而取得了1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1923年4月，《分子大小新測(cè)定法》（博士論文）1923年5月，《熱分子運(yùn)動(dòng)論所要求靜液體中懸浮粒子運(yùn)動(dòng)》愛(ài)因斯坦當(dāng)初目標(biāo)是要通過(guò)觀測(cè)由分子運(yùn)動(dòng)漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生懸浮粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，來(lái)測(cè)定分子實(shí)際大小，以處理半個(gè)多世紀(jì)來(lái)科學(xué)界和哲學(xué)界爭(zhēng)論不休原子是否存在問(wèn)題。三年后，法國(guó)物理學(xué)家佩蘭以精密試驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦理論預(yù)測(cè)。從而無(wú)可非議證明了原子和分子客觀存在。9/861923年6月，《論動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)》完整提出了狹義相對(duì)論。這是愛(ài)因斯坦23年醞釀和摸索成果，它在很大程度上處理了19世紀(jì)末出現(xiàn)古典物理學(xué)危機(jī)，變化了牛頓力學(xué)時(shí)空觀念，揭露了物質(zhì)和能量相稱性，創(chuàng)建了一種全新物理學(xué)世界，是近代物理學(xué)領(lǐng)域最偉大革命。1923年9月，《物體慣性同它所含能量有關(guān)嗎？》1923年12月，《有關(guān)布朗運(yùn)動(dòng)理論》10/861923年愛(ài)因斯坦在一篇一般稱為“廣義相對(duì)論”論文中把相對(duì)論原理從慣性系推廣到加速系中。1923年名譽(yù)漸著愛(ài)因斯坦取得一種蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院低薪專家職位。1923年在普朗克幫助下柏林威廉大帝物理研究所給以愛(ài)因斯坦一種待遇優(yōu)厚職位。1919愛(ài)丁頓組織天文觀測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。1923年愛(ài)因斯坦刊登固體比熱研究論文，初次將量子力學(xué)應(yīng)用到固體物理研究中。11/86在該年11月6日召開(kāi)英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)和皇家學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦大會(huì)上，天文學(xué)家羅伊爾宣布：“星光確實(shí)按照愛(ài)因斯坦引力理論預(yù)言發(fā)生偏折”。第二天即1923年11月7日，歷來(lái)謹(jǐn)慎英國(guó)《泰晤士報(bào)》赫然出現(xiàn)醒目標(biāo)標(biāo)題文章：“科學(xué)革命”，兩個(gè)副標(biāo)題是“宇宙新理論”、“牛頓觀念破產(chǎn)”。11月8日《泰晤士報(bào)》接著刊登了題為“科學(xué)革命：愛(ài)因斯坦戰(zhàn)勝了牛頓、出色物理學(xué)家觀點(diǎn)”文章，文中說(shuō)“這件事成了下議院熱烈討論話題”；物理學(xué)、皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、劍橋大學(xué)專家約瑟夫·拉摩“受到圍攻，要求對(duì)牛頓是否被擊敗了、劍橋大學(xué)是否垮臺(tái)了作出回復(fù)”。12/861923年，刊登原子自發(fā)輻射和受激輻射理論，奠定當(dāng)代激光物理基礎(chǔ)。CharlesH.Townes發(fā)明激光獲1964

年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1923年，刊登首篇宇宙學(xué)論文，奠定當(dāng)代宇宙學(xué)基礎(chǔ)。1923年，完成首篇大統(tǒng)一理論文章，指明當(dāng)代物理終極之夢(mèng)。13/861927年，開(kāi)始與Bohr為首量子力學(xué)Copenhegen學(xué)派就量子力學(xué)基礎(chǔ)是否完備等基本問(wèn)題進(jìn)行論戰(zhàn)，極大豐富和加深了物理學(xué)家對(duì)量子力學(xué)理解。1924年，完成Bose-Einstein統(tǒng)計(jì)論文，預(yù)言了Bose-Einstein

凝聚。1935年，和B.Podolsky及N.Rosen合作提出EPR悖論，質(zhì)疑量子力學(xué)完備性。14/86愛(ài)因斯坦成了舉世聞名科學(xué)家，然而他仍不能免遭德國(guó)納粹勢(shì)力迫害。1930年愛(ài)因斯坦到美國(guó)加州工學(xué)院講學(xué)，直到希特勒上臺(tái)(1933年)仍在美國(guó)，后來(lái)再也沒(méi)有回德國(guó)。愛(ài)因斯坦后來(lái)定居在新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所。1940年成為美國(guó)公民。15/86上帝不是在擲骰子象牛頓反對(duì)光波動(dòng)說(shuō)同樣，愛(ài)因斯坦也對(duì)當(dāng)初物理學(xué)另一場(chǎng)革命——量子力學(xué)持否認(rèn)態(tài)度。例如他不接收海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理——時(shí)間和能量不能同步完全精確地測(cè)定，1930年他提出一種假想試驗(yàn)來(lái)否認(rèn)這條原理，玻爾在通宵未眠后，第二天指出了愛(ài)因斯坦論據(jù)中一種錯(cuò)誤。16/86“統(tǒng)一場(chǎng)論”

在他生命中最后十年致力于謀求一種能包羅萬(wàn)有引力和電磁現(xiàn)象理論，也就是常稱之為“統(tǒng)一場(chǎng)論”理論.不過(guò)這個(gè)難題讓愛(ài)因斯坦花費(fèi)了許多時(shí)間和精力，并平添許多苦惱，最后沒(méi)有處理。17/86曼哈頓工程另外，愛(ài)因斯坦給美國(guó)總統(tǒng)羅斯福寫信力勸執(zhí)行一項(xiàng)龐大計(jì)劃以研制原子彈，并終于實(shí)行了曼哈頓工程，在六年后造出了原子彈。

然而他變化物理學(xué)能力大于他變化人類心志能力。1955年第99號(hào)元素锿是為紀(jì)念當(dāng)初剛才去世很快愛(ài)因斯坦而命名。1955年4月18日凌晨1點(diǎn)15分，愛(ài)因斯坦因積極脈瘤破裂去世。戰(zhàn)后，他又為實(shí)現(xiàn)結(jié)束原子戰(zhàn)某種世界性協(xié)議努力到了生命最后。18/861931年1月31日在洛杉磯舉辦《都市之光》首映式，卓別林和愛(ài)因斯坦站在一起，面向歡呼人群，藝術(shù)之星大有被科學(xué)之星壓倒味道。卓別林對(duì)愛(ài)因斯坦說(shuō)：“他們歡呼我是由于他們都理解我，而他們歡呼你是由于沒(méi)有人理解你。”我試驗(yàn)竟然對(duì)相對(duì)論這個(gè)怪物誕生起了作用，我對(duì)此感到十分遺憾。

——麥可爾遜Einstein先生是我所懂得最有發(fā)明思想人，……他所走路大多是死胡同，不過(guò)，我們也應(yīng)當(dāng)希望，他所指出方向有一種是正確，這就足夠了。

———Poincare19/86§8.1光速不變性和同步性相對(duì)性一、力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換【舊典型時(shí)空觀】力學(xué)相對(duì)性原理在兩個(gè)互相作勻速直線運(yùn)動(dòng)各慣性參照系中力學(xué)規(guī)律（不是指現(xiàn)象）是不變（同樣）。通俗地講：把一種試驗(yàn)室搬到勻速運(yùn)行列車緊閉車廂中，無(wú)論做什么樣力學(xué)試驗(yàn)，都不能發(fā)覺(jué)列車在運(yùn)動(dòng)，更不用測(cè)量列車相對(duì)地面速度。20/86一典型力學(xué)時(shí)空觀1.事件與參照系事件：有明確地點(diǎn)與時(shí)間一件事：P(x,y,z,t)

參照系：不一樣參照系對(duì)同一事件發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間測(cè)量成果一般不一樣。例如：21/86伽利略變換伽利略坐標(biāo)變換式·P伽利略速度變換式22/863.伽利略相對(duì)性原理（1）、絕對(duì)時(shí)間：時(shí)間量度（時(shí)間間隔）與參照系無(wú)關(guān)；(3)、時(shí)間與空間是互相獨(dú)立。（2）、絕對(duì)空間：空間量度（空間間隔）與參照系無(wú)關(guān)；伽利略變換特點(diǎn)：在一切慣性系中，力學(xué)定律在伽利略變換下保持不變，即對(duì)一切力學(xué)規(guī)律而言，一切慣性系都是等價(jià)。23/86絕對(duì)時(shí)間：是一種自然流逝?！敖^正確真實(shí)數(shù)學(xué)時(shí)間，就其本質(zhì)而言，是永遠(yuǎn)均勻地流逝著，與外界事物無(wú)關(guān)?！钡湫土W(xué)絕對(duì)時(shí)空觀：絕對(duì)空間：是一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所?！敖^正確空間就其本質(zhì)而言與外界事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變。”伽利略變換是典型時(shí)空觀念集中體現(xiàn)。在伽利略變換下時(shí)間和空間均與參照系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，時(shí)間和空間之間是不相聯(lián)系，是絕正確。24/86典型力學(xué)遇到困難時(shí)間和空間與觀測(cè)者相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，是絕正確。典型力學(xué)存在一種與絕對(duì)空間相對(duì)靜止特殊慣性參照系——絕對(duì)參照系伽利略相對(duì)性原理如何鑒別絕對(duì)參照系？力學(xué)辦法其他非力學(xué)辦法，如電磁辦法25/86（1）Maxwell電磁場(chǎng)方程組不服從伽利略變換；1、基于絕對(duì)時(shí)空伽利略變換所遇到困難Maxwell典型電磁理論絕對(duì)參照系？26/86二、測(cè)量以太風(fēng)邁克耳孫-莫雷試驗(yàn)

零成果

AB19世紀(jì)，科學(xué)界以為，“以太”是絕對(duì)靜止，是宇宙中慣性系。因此在地球上不一樣地方做光學(xué)試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)能夠證明“以太”存在。27/86“以太”參照系是絕對(duì)靜止系G

M1

G設(shè)“以太”參照系為系試驗(yàn)室為系邁克耳孫-莫雷試驗(yàn)【判決性試驗(yàn)】GM1M2T28/86GM1M2T（從系看）G

M2M2

GG

M2

G29/86儀器可測(cè)量精度

試驗(yàn)成果

未觀測(cè)到地球相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng).結(jié)論：作為絕對(duì)參照系以太不存在.30/86后來(lái)又有許多人在不一樣季節(jié)、時(shí)刻、方向上反復(fù)重做邁克耳孫-莫雷試驗(yàn)．近年來(lái),利用激光使這個(gè)試驗(yàn)精度大為提升,但結(jié)論卻沒(méi)有任何變化．邁克耳孫-莫雷試驗(yàn)測(cè)到以太漂移速度為零,對(duì)以太理論是一種沉重打擊,被人們稱為是籠罩在19世紀(jì)物理學(xué)上空一朵烏云.END31/86三、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論基本原理1、相對(duì)性原理【力學(xué)相對(duì)性原理推廣至整個(gè)物理學(xué)】一切物理規(guī)律在所有慣性系中都具有相同數(shù)學(xué)體現(xiàn)式。（所有慣性系都是等價(jià)，在它們之中所有物理規(guī)律都同樣）2.光速不變?cè)怼緯r(shí)間在“騙人”，時(shí)間在不一樣參照系不一樣，時(shí)間具有相對(duì)性】在所有慣性系中，光在真空中速率恒為c，與光源和觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)引入新變換——洛倫茲變換32/86洛倫茲變換式符合相對(duì)論理論時(shí)空變換關(guān)系．設(shè)時(shí)，重合;事件P時(shí)空坐標(biāo)如圖所示.*33/86正變換34/86逆變換35/8636/86洛侖茲速度變換式逆變換正變換37/86討論：光速不變!光速在任何慣性系中均為同一常量，利用它可將時(shí)間測(cè)量與距離測(cè)量聯(lián)系起來(lái).38/86長(zhǎng)度測(cè)量和同步性概念密切有關(guān)．二長(zhǎng)度收縮(動(dòng)尺變短)棒沿

軸對(duì)系靜止放置,在系中同步測(cè)得兩端坐標(biāo)39/86則棒固有長(zhǎng)度為固有長(zhǎng)度：物體相對(duì)靜止時(shí)所測(cè)得長(zhǎng)度.（最長(zhǎng)）問(wèn)在S系中測(cè)得棒有多長(zhǎng)?40/86設(shè)在S系中某時(shí)刻

t

同步測(cè)得棒兩端坐標(biāo)為x1、x2，則S系中測(cè)得棒長(zhǎng)l=x2

-x1，l與l0關(guān)系為：41/86結(jié)論

長(zhǎng)度具有相對(duì)意義討論1

長(zhǎng)度收縮

l<l0V2

如將物體固定于系,由系測(cè)量,同樣出現(xiàn)長(zhǎng)度收縮現(xiàn)象.

物體對(duì)觀測(cè)者向何處運(yùn)動(dòng),觀測(cè)者觀測(cè)到在該方向上其長(zhǎng)度收縮.42/86三時(shí)間延緩(動(dòng)鐘變慢)43/86B發(fā)射光信號(hào)接收光信號(hào)時(shí)間間隔系同一地點(diǎn)

B

發(fā)生兩事件44/86在S系中觀測(cè)兩事件45/86B固有時(shí)間：同一地點(diǎn)發(fā)生兩事件時(shí)間間隔.時(shí)間延緩：運(yùn)動(dòng)鐘走得慢.46/86時(shí)間延緩效應(yīng)是一種普遍時(shí)空性質(zhì)。（包括時(shí)鐘和其他一切生長(zhǎng)變化過(guò)程，與詳細(xì)過(guò)程機(jī)理無(wú)關(guān)）注意47/86

孿生子效應(yīng)構(gòu)想一對(duì)年華正茂孿生弟兄，哥哥辭別弟弟，登上訪問(wèn)牛郎織女路程。歸來(lái)時(shí)，阿哥仍是風(fēng)度翩翩一少年，而前來(lái)迎接他胞弟卻是白發(fā)蒼蒼一老翁了。這真應(yīng)了古代神話里“天上方一日，地上已七年”說(shuō)法！按照相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)不是相正確嗎？上面是從“天”看“地”，若從“地”看“天”，還應(yīng)有“地上方一日，天上已七年”效應(yīng)。為何在這里天、地不對(duì)稱？這便是所說(shuō)“孿生子佯謬twinparadox”。48/86

從邏輯上看，這佯謬并不存在，由于天、地兩個(gè)參照系確實(shí)不對(duì)稱。從標(biāo)準(zhǔn)上講，“地”能夠是一種慣性參照系，而“天”卻不能。不然它將一去不復(fù)返，弟兄永別了，誰(shuí)也不再有機(jī)會(huì)直接看到對(duì)方年紀(jì)?！疤臁敝虼四芊祷?，必有加速度，這就超出狹義相對(duì)論理論范圍，需要用廣義相對(duì)論去討論。

廣義相對(duì)論對(duì)上述被看作“佯謬”效應(yīng)是肯定，以為這種現(xiàn)象能夠發(fā)生。用儀器模擬“孿生子”試驗(yàn)已成為也許。1971年完成了兩完全相同銫原子鐘分別向東和向西繞地球一周試驗(yàn)。49/86(1)相對(duì)論動(dòng)量遵循洛倫茲變換當(dāng)時(shí)一動(dòng)量與速度關(guān)系(2)相對(duì)論質(zhì)量靜止質(zhì)量：m0相對(duì)論動(dòng)力學(xué)關(guān)系50/86相對(duì)論質(zhì)量說(shuō)明質(zhì)量與速度有關(guān).m0m12340.20.41.000.60.8vc51/86物體相對(duì)于慣性系靜止時(shí)質(zhì)量.靜質(zhì)量

:結(jié)論:質(zhì)量具有相對(duì)意義.

,能夠以為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量是一種常量,牛頓力學(xué)仍然適用.當(dāng)時(shí)52/86二狹義相對(duì)論力學(xué)基本方程當(dāng)時(shí)變?yōu)榕ｎD第二定律.即當(dāng)時(shí),不變相對(duì)論動(dòng)量守恒定律53/86三質(zhì)量與能量關(guān)系動(dòng)能定理設(shè)

積分54/86相對(duì)論動(dòng)能當(dāng)時(shí)，靜能量物體靜止時(shí)所具有能量.55/86相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系

質(zhì)能關(guān)系指出：物質(zhì)質(zhì)量和能量之間有密切聯(lián)系.總能量相對(duì)論能量和質(zhì)量守恒是一種統(tǒng)一物理規(guī)律.56/86物理意義

慣性質(zhì)量增加和能量增加相聯(lián)系，能量變化必然造成質(zhì)量對(duì)應(yīng)變化，這是相對(duì)論又一極其主要推論.

57/86相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系為開(kāi)創(chuàng)原子能時(shí)代提供了理論基礎(chǔ),這是一種具有劃時(shí)代意義理論公式.58/86四質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中應(yīng)用質(zhì)量虧損原子質(zhì)量單位放出能量1

核裂變1g

鈾—235原子裂變釋放能量59/86原子彈爆炸（核裂變）60/86我國(guó)于1958

年建成首座重水反應(yīng)堆61/86秦山核電站全景圖在建陽(yáng)江核電站效果圖62/86在建江蘇連云港田灣核電站63/862

輕核聚變釋放能量質(zhì)量虧損輕核聚變條件溫度達(dá)成時(shí)，使具有動(dòng)能，足以克服兩之間庫(kù)侖排斥力.氘核氦核64/861967年6月17日，中國(guó)第一顆氫彈爆炸成功65/86五動(dòng)量與能量關(guān)系極端相對(duì)論近似66/86光子光波粒二象性67/86§8-4廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論是均以慣性系作為參照背景，亦即慣性系處于特殊優(yōu)越地位；再則，20世紀(jì)初葉人們只懂得兩種互相作用：引力和電磁作用，可是狹義相對(duì)論未能處理引力問(wèn)題，故而愛(ài)因斯坦對(duì)此心猶不滿。論及作加速運(yùn)動(dòng)非慣性參照系，自然與引力問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。這就是愛(ài)因斯坦構(gòu)建相對(duì)論第二個(gè)層次，即廣義相對(duì)論初衷和契機(jī)。其實(shí)，他還是從深入延拓相對(duì)性原理涵義著手，使思維觸角超出慣性系囿限，而把一切參照系等量齊觀。68/861、等效原理（1）等效原理和廣義相對(duì)性原理非慣性系處理成慣性參照系加速場(chǎng)和與引力場(chǎng)等效所有物理學(xué)規(guī)律對(duì)所有參照系都成立69/86

2、狹義相對(duì)性原理再延拓

等效原理確實(shí)立，使非慣性系顯得主要起來(lái)；換言之，等效原理否認(rèn)了慣性系特殊優(yōu)越地位，這樣就使相對(duì)性原理深入推廣成為一種邏輯必然。

廣義相對(duì)性原理：在所有參照系中描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)說(shuō)都是平權(quán)，二者處于同等地位上（就如在狹義相對(duì)論中，一切慣性系都處于同等地位上同樣）。70/863、彎曲時(shí)空概念確立根據(jù)等效原理將慣性定律推廣到地球非均勻引力場(chǎng)時(shí)，能夠這樣來(lái)表述：一切重物自然運(yùn)動(dòng)都是向地球中心加速降落。在引力場(chǎng)中物體運(yùn)動(dòng)軌道彎曲并不是由于力作用引發(fā)，而是空間特殊性質(zhì)成果，這一點(diǎn)與牛頓理論有區(qū)分。71/86

例如，在重物附近，光并不按歐兒里德“直線”傳輸，包括光束在內(nèi)一切物體(沒(méi)有外力時(shí))都是按曲線軌道運(yùn)動(dòng)。因此，能夠以為空間本身是彎曲。歐兒里德“直線”光束72/86擺在我們面前是兩種選擇：1、要么以為物體附近空間是歐兒里德，但任何物體都不按直線運(yùn)動(dòng)；2、要么以為空間本身具有一定曲率。愛(ài)因斯坦選擇了后者。

愛(ài)因斯坦假設(shè)等效原理不但僅適用于力學(xué)，并且也適用于所有物理學(xué)規(guī)律。

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伴隨廣義相對(duì)論構(gòu)建，以及之后求得愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程某些精確解和近似解，彎曲時(shí)空概念得以在科學(xué)舞臺(tái)上確立，并為越來(lái)越多人所接收。下列圖表達(dá)物質(zhì)分布使時(shí)空彎曲。74/86非歐氏幾何空間：例如：二維正曲率球面和負(fù)曲率錐面。平面曲率為零，平面三角形三內(nèi)角之和為180?；正曲率曲面上三角形其三內(nèi)角之和大于180?；負(fù)曲率曲面上三角形其三內(nèi)角之和不大于180?。

愛(ài)因斯坦采取四維黎曼型空間作為引力場(chǎng)彎曲時(shí)空幾何形式。75/861、光束彎曲

當(dāng)光束通過(guò)引力場(chǎng)時(shí)，根據(jù)等效原理，它軌道應(yīng)當(dāng)彎曲。例如：星光通過(guò)太陽(yáng)邊緣時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)觀測(cè)到光束“位移”，這種位移只有在日蝕時(shí)才也許發(fā)覺(jué)。星太陽(yáng)月亮地球廣義相對(duì)論試驗(yàn)驗(yàn)證

76/861923年日全蝕期間，國(guó)際考查團(tuán)對(duì)此進(jìn)行了考查，考查人員在日蝕時(shí)刻拍攝了星空照片，然后將這些照片與沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)這同一部分星空照片相比較，發(fā)覺(jué)星位置移動(dòng)了。這就證明了愛(ài)因斯坦有關(guān)光束從太陽(yáng)近旁通過(guò)時(shí)要發(fā)生偏移預(yù)言(角度偏移約1.75″)。光線在引力場(chǎng)中彎曲一種必然推論是引力透鏡成象問(wèn)題。早在1923年愛(ài)丁頓就提出引力場(chǎng)會(huì)聚成象可作為廣義相對(duì)論一種檢查；77/86

1936年愛(ài)因斯坦提出引力透鏡是散焦，一般成雙象；后來(lái)有多人對(duì)此問(wèn)題作了深入討論。但由于始終沒(méi)有觀測(cè)成果支持，引力透鏡思想長(zhǎng)期受到冷落。

1979年瓦爾什等人宣布發(fā)覺(jué)一對(duì)孿生類星體QSOS0957+561A、B，它們之間角距離只有5.7″，發(fā)射光譜和吸取光譜在很寬波段內(nèi)都同樣，紅移量也都約為1.4Ao。后經(jīng)各方認(rèn)證，多數(shù)天體物理學(xué)家以為這是引力透鏡成雙象一種事例。自此后來(lái)又陸續(xù)發(fā)覺(jué)其他某些多重象例子。78/862、引力紅移

時(shí)鐘走速與它所在位置引力場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小有關(guān)。從廣義相對(duì)論觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)可用來(lái)解釋雙胞胎經(jīng)論。能夠以為，當(dāng)宇宙飛船減速和轉(zhuǎn)彎時(shí)候，在飛船中那一種雙胞胎將經(jīng)受引力場(chǎng)作用，而留在地球上弟兄卻沒(méi)有這種作用，這就造成了兩弟兄間差異。原子或光子(將在背面章節(jié)正式引入光子概念)振動(dòng)能夠看作是最簡(jiǎn)單時(shí)鐘。光子振動(dòng)頻率變動(dòng)使光束顏色向光譜紅色端偏移，因此把它稱為引力紅移。79/86光子能量與頻率關(guān)系：E=hυ(其中h=6.7×10-34J·s)

能量與質(zhì)量關(guān)系：E=mc2，則光子具有動(dòng)質(zhì)量：m=hυ/c2。由于任何質(zhì)量都受引力作用，則當(dāng)頻率為υ0光子位于質(zhì)量Ms，半徑為Rs

一種大星球表面附近時(shí)，它引力勢(shì)能：Ep=-Ghυ0Ms/Rsc2

當(dāng)光子從星球低勢(shì)能向地球高勢(shì)能運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量E要減小，對(duì)應(yīng)頻率也減少。80/86因此光子頻率相對(duì)移動(dòng)：

Δυ/υ0=(υ0-υ)/υ0

=(Ms/Rs-Me/Re)G/c2例如典型白矮星半徑Rs

9×106m，質(zhì)量Ms

1.2×1030kg，則Δυ/υ0