愛(ài)因斯坦與物理學(xué)的革命市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

愛(ài)因斯坦與相對(duì)論第1頁(yè)相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力基本理論，分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。第2頁(yè)物理學(xué)開(kāi)端第3頁(yè)探究事物原理，從而取得知識(shí)第4頁(yè)浮力定律：浸在液體里物體受到向上浮力，浮力大小等于物體排開(kāi)液體所受重力。杠桿原理：給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能夠把地球撬動(dòng)。第5頁(yè)真正物理學(xué)開(kāi)始于中世紀(jì)后期伽利略使物理學(xué)成為一門試驗(yàn)和測(cè)量科學(xué)。伽利略成就：重述慣性定律用科學(xué)語(yǔ)言闡述相對(duì)性原理自由落體定律第6頁(yè)1.慣性定律：任何物體在不受任何外力作用下，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。第7頁(yè)2.相對(duì)性原理：第8頁(yè)3.自由落體試驗(yàn)：第9頁(yè)《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》《光學(xué)》第10頁(yè)關(guān)于光學(xué)問(wèn)題：牛頓→微粒說(shuō)胡克和惠更斯→波動(dòng)說(shuō)第11頁(yè)一.兩朵烏云二.狹義相對(duì)論三.彎曲時(shí)空——廣義相對(duì)論四.相對(duì)論進(jìn)展五.愛(ài)因斯坦成就與影響第12頁(yè)一.兩朵烏云

1900，開(kāi)爾文勛爵：物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，未來(lái)物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)工作就行了。不過(guò)，明朗天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射相關(guān)，另一朵與邁克爾遜試驗(yàn)相關(guān)。第13頁(yè)第一朵烏云：黑體輻射量子論第二朵烏云：邁克爾遜試驗(yàn)相對(duì)論19001905第14頁(yè)量子論誕生第15頁(yè)量子說(shuō)光子說(shuō)愛(ài)因斯坦解釋光電效應(yīng)1905第16頁(yè)愛(ài)因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國(guó)烏爾姆中，小課時(shí)代德國(guó)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，四面碰壁第17頁(yè)

愛(ài)因斯坦對(duì)學(xué)校教育持批評(píng)態(tài)度，一生中除了在阿勞中學(xué)那一年補(bǔ)習(xí)班外，對(duì)學(xué)校教育沒(méi)有好印象。他高度評(píng)價(jià)阿勞中學(xué)教學(xué)：“這個(gè)中學(xué)用它自由精神和那些不仗外界權(quán)勢(shì)教師純樸熱情，培養(yǎng)了我獨(dú)立精神和創(chuàng)造精神。正是阿勞中學(xué)，成為了孕育相對(duì)論土壤”第18頁(yè)1902-1909伯爾尼創(chuàng)造專利局工作早期科研情況：1901-------1篇論文1902-------2篇論文1903-------1篇論文1904-------1篇論文第19頁(yè)希爾伯特：沒(méi)有比專利局對(duì)愛(ài)因斯坦更適合工作單位了

空閑、寬容第20頁(yè)愛(ài)因斯坦豐收年（26歲）1905-------5篇3月解釋光電效應(yīng)——光子說(shuō)（6月發(fā)表）4月博士論文：測(cè)定分子大小新方法（4月提交）

第21頁(yè)5月解釋布朗運(yùn)動(dòng)（7月發(fā)表）6月“論運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)”——狹義相對(duì)論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）第22頁(yè)愛(ài)因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914進(jìn)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(guó)物理研究所所長(zhǎng)、院士1915提出廣義相對(duì)論（36歲）1933-1955美國(guó)普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所研究員1955年4月18日逝世第23頁(yè)二.狹義相對(duì)論

光波是“以太”彈性振動(dòng)。以太相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)嗎？光行差現(xiàn)象（1728，1810）：以太相對(duì)于地球有運(yùn)動(dòng)。邁克爾遜試驗(yàn)（1881，1887）：沒(méi)有測(cè)出這一運(yùn)動(dòng)。第24頁(yè)洛倫茲解釋：以太相對(duì)于絕對(duì)空間靜止。洛倫茲收縮：第25頁(yè)x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換（速度疊加平行四邊形法則）第26頁(yè)洛倫茲變換：相對(duì)于絕對(duì)空間變換第27頁(yè)愛(ài)因斯坦新理論相對(duì)性原理光速不變?cè)砺鍌惼澴儞Q不存在絕對(duì)空間，一切運(yùn)動(dòng)都是相正確洛倫茲變換是任意兩個(gè)慣性系之間變換V是相對(duì)速度愛(ài)因斯坦：第28頁(yè)洛倫茲反對(duì)愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)，給愛(ài)因斯坦理論起了個(gè)名字：

相對(duì)論第29頁(yè)相對(duì)論認(rèn)為“同時(shí)”是相正確動(dòng)尺收縮：空間是相正確動(dòng)鐘變慢：時(shí)間是相正確質(zhì)能關(guān)系：第30頁(yè)雙生子佯謬第31頁(yè)第32頁(yè)

愛(ài)因斯坦創(chuàng)新之處：（1）堅(jiān)持相對(duì)性原理（2）認(rèn)識(shí)到光速是絕正確（最困難思想突破）（3）時(shí)間能量

空間動(dòng)量第33頁(yè)終究是誰(shuí)創(chuàng)造了相對(duì)論？第34頁(yè)歷史：1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902彭卡萊否定絕對(duì)空間，絕對(duì)時(shí)間（但仍認(rèn)可有以太）批評(píng)相對(duì)于絕對(duì)空間動(dòng)尺收縮假設(shè)，認(rèn)為“相對(duì)性原理”適合用于電磁理論第35頁(yè)1904洛倫茲部分接收彭卡萊批評(píng)提出地方時(shí)間

（非真實(shí)時(shí)間）給出洛倫茲變換（1887佛格特，1898拉摩）

電子質(zhì)量公式

第36頁(yè)1904彭卡萊·正確表述“相對(duì)性原理”·提到用光信號(hào)對(duì)鐘，但認(rèn)為得到是地方時(shí)間，不是真實(shí)時(shí)間?！ね茰y(cè)真空中光速c是常數(shù)，且可能是極限速度；第37頁(yè)1905愛(ài)因斯坦發(fā)表相對(duì)論（論運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)）只有他認(rèn)識(shí)到（1）必須徹底拋棄絕對(duì)空間（以太）必須徹底拋棄絕對(duì)時(shí)間（同時(shí)絕對(duì)性）（2）“同時(shí)”是相正確，能夠用光來(lái)對(duì)鐘，定義“同時(shí)”（3）新理論是一個(gè)時(shí)空理論第38頁(yè)楊振寧教授洛倫茲只有近距離眼光，沒(méi)有遠(yuǎn)距離眼光洛倫茲（只重視解釋試驗(yàn)與觀察結(jié)果）局部修改物理理論，不從哲學(xué)角度考慮彭卡萊只有遠(yuǎn)距離眼光，沒(méi)有近距離眼光彭卡萊只從哲學(xué)和數(shù)學(xué)角度來(lái)考查問(wèn)題,不從試驗(yàn)和測(cè)量角度考查愛(ài)因斯坦含有自由眼光，既近距離又遠(yuǎn)距離觀察問(wèn)題既重視試驗(yàn)和觀察，又重視哲學(xué)探討（馬赫著作，“奧林匹亞學(xué)院”）洛倫茲是技術(shù)型，彭卡萊是哲學(xué)型，愛(ài)因斯坦是物理型。第39頁(yè)三.彎曲時(shí)空——廣義相對(duì)論（1）慣性系無(wú)法定義（2）萬(wàn)有引力定律納不進(jìn)相對(duì)論體系第40頁(yè)伽利略受審第41頁(yè)牛頓與蘋果落地第42頁(yè)第43頁(yè)引力場(chǎng)=慣性場(chǎng)(局域)

等效原理廣義相對(duì)性原理廣義相對(duì)論第44頁(yè)

萬(wàn)有引力不是真正力，而是時(shí)空彎曲表現(xiàn)行星繞日運(yùn)動(dòng)是慣性運(yùn)動(dòng)（伽利略“錯(cuò)誤”）地球上自由落體運(yùn)動(dòng)是慣性運(yùn)動(dòng)第45頁(yè)彎曲時(shí)空第46頁(yè)第47頁(yè)

時(shí)間能量

空間動(dòng)量

時(shí)空曲率物質(zhì)第48頁(yè)愛(ài)因斯坦與格羅斯曼合作得到場(chǎng)方程：愛(ài)因斯坦與希爾伯特討論后得到正確場(chǎng)方程：數(shù)學(xué)家對(duì)愛(ài)因斯坦幫助第49頁(yè)廣義相對(duì)論三個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證（1）引力紅移（2）水星進(jìn)動(dòng)（3）光線偏折第50頁(yè)水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)5600.730.41"/百年，（觀察）5557.620.20"/百年，（計(jì)算）43.11"/百年進(jìn)動(dòng)無(wú)法解釋廣義相對(duì)論回答：43"/百年勒維葉猜測(cè)，火神星（勒維葉與亞當(dāng)斯發(fā)覺(jué)海王星）第51頁(yè)第52頁(yè)光線偏折廣義相對(duì)論：=1.75"牛頓理論：=0.875"試驗(yàn)觀察：（1918年：愛(ài)丁頓

西非普林西比;

巴西，陰雨）=1.980.12"今天：=1.89"第53頁(yè)第54頁(yè)愛(ài)因斯坦說(shuō)：狹義相對(duì)論假如我不發(fā)覺(jué)，五年之內(nèi)就會(huì)有些人發(fā)覺(jué)。廣義相對(duì)論假如我不發(fā)覺(jué)，50年之內(nèi)也不會(huì)有些人發(fā)覺(jué)！第55頁(yè)四、相對(duì)論進(jìn)展第56頁(yè)相對(duì)論進(jìn)展引力波當(dāng)代宇宙學(xué)黑洞奇性定理時(shí)空隧道與時(shí)間機(jī)器規(guī)范場(chǎng)第57頁(yè)引力波廣義相對(duì)論預(yù)言：有引力波，以光速傳播J.H.Taylar,R.A.Hulse發(fā)覺(jué)脈沖雙星（PSR1913+16）軌道周期每年降低約萬(wàn)分之一秒，恰好可用引力輻射來(lái)解釋。（因?yàn)閷?duì)脈沖雙星研究貢獻(xiàn)獲1993年諾貝爾物理獎(jiǎng)，但未明確指明發(fā)覺(jué)引力波。）第58頁(yè)第59頁(yè)當(dāng)代宇宙學(xué)愛(ài)因斯坦：有限，無(wú)邊靜態(tài)宇宙模型加入宇宙項(xiàng)

（宇宙項(xiàng)）第60頁(yè)第61頁(yè)暗物質(zhì)與暗能量物質(zhì)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λ動(dòng)力學(xué)暗能量廣義相對(duì)論在宇觀尺度失效0.5%4%0.3%29%65%第62頁(yè)黑洞r(視界）r=0奇點(diǎn)

tr洞外時(shí)間空間洞內(nèi)空間時(shí)間第63頁(yè)第64頁(yè)第65頁(yè)信息疑難年7月21日,霍金“我輸了”霍金(S.W.Hawking)索恩(Kip.Throne)普瑞斯基(JohnPreskill)第66頁(yè)奇性疑難彭若斯與霍金奇性定理:時(shí)間一定有開(kāi)始和結(jié)束

第67頁(yè)宇宙中蟲(chóng)洞時(shí)空隧道與時(shí)間機(jī)器第68頁(yè)規(guī)范場(chǎng)：1、愛(ài)因斯坦統(tǒng)一場(chǎng)論思想2、魏爾（H.Weyl）尺度變換理論－－規(guī)范場(chǎng)3、愛(ài)因斯坦反對(duì)意見(jiàn)4、?？伺c倫敦對(duì)魏爾理論修正5、楊振寧對(duì)規(guī)范場(chǎng)貢獻(xiàn)6、引力規(guī)范理論第69頁(yè)五、愛(ài)因斯坦

學(xué)術(shù)成就與影響第70頁(yè)E=mc2狹義相對(duì)論博士論文獲諾貝爾獎(jiǎng)之作造成Perrin獲諾貝爾獎(jiǎng)1905第71頁(yè)第72頁(yè)愛(ài)因斯坦:

怎樣取得諾貝爾獎(jiǎng)？第73頁(yè)提名Einstein領(lǐng)域相對(duì)論；量子論；引力論；布朗運(yùn)動(dòng)；光量子；統(tǒng)計(jì)力學(xué)；臨界乳光；比熱；數(shù)學(xué)物理；光電效應(yīng)；愛(ài)因斯坦－德哈斯效應(yīng)等。提名最多領(lǐng)域是相對(duì)論，包含狹義和廣義相對(duì)論。不過(guò)，獲獎(jiǎng)卻是光電效應(yīng)。第74頁(yè)1921光電效應(yīng)得獎(jiǎng)年：1921得獎(jiǎng)人：A.Einstein得獎(jiǎng)項(xiàng)目：forhisservicestotheoreticalphysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect瑞典皇家科學(xué)院秘書(shū)信：“…不過(guò)沒(méi)有考慮您相對(duì)論和引力理論一旦得到證實(shí)所應(yīng)取得評(píng)價(jià)”第75頁(yè)檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦理論或

與愛(ài)因斯坦理論親密相關(guān)

研究工作而

獲諾貝爾獎(jiǎng)第76頁(yè)1926

布朗運(yùn)動(dòng)得獎(jiǎng)年：1926得獎(jiǎng)人：J.B.Perrin得獎(jiǎng)項(xiàng)目：forhisworkonthediscontinuousstructureofmatter,andespeciallyforhisdiscoveryofsedimentationequilibrium說(shuō)明：首次試驗(yàn)證實(shí)Einstein布朗運(yùn)動(dòng)理論第77頁(yè)1927

康普頓效應(yīng)得獎(jiǎng)年：1927得獎(jiǎng)人：A.H.Compton得獎(jiǎng)項(xiàng)目：forhisdiscoveryoftheeffectnamedafterhim說(shuō)明：首次證實(shí)光子同時(shí)含有能量、動(dòng)量、頻率、波長(zhǎng)——“E=h,p=h/”第78頁(yè)1951E=mc2得獎(jiǎng)年：1951得獎(jiǎng)人：SirJ.D.Cockcroft&E.T.S.Walton得獎(jiǎng)項(xiàng)目：fortheirpioneerworkonthetransmutationofatomicnucleibyartificiallyacceleratedatomicparticles說(shuō)明：“averificationwasprovidedbythisanalysisforEinstein’slawconcerningtheequivalenceofmassandenergy”第79頁(yè)1964受激輻射得獎(jiǎng)年：1964得獎(jiǎng)人：C.H.Townes,N.G.Basov,A.M.Prochorov得獎(jiǎng)項(xiàng)目：forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple說(shuō)明：maser－laserbasedon受激輻射第80頁(yè)1993引力波得獎(jiǎng)年：1993得獎(jiǎng)人：R.A.Hulse,J.H.Taylor,Jr得獎(jiǎng)項(xiàng)目：forthediscoveryofanewtypeofpulsar,adiscoverythathasopenedupnewpossibilitiesforthestudyofgravitation說(shuō)明：驗(yàn)證了引力波第81頁(yè)

Bose－Einstein凝聚得獎(jiǎng)年：得獎(jiǎng)人：E.A.Cornell,W.Ketterle,C.E.Wieman得獎(jiǎng)項(xiàng)目：fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates第82頁(yè)愛(ài)因斯坦工作

還會(huì)造成哪些諾貝爾獎(jiǎng)？第83頁(yè)量子信息學(xué)與量子糾纏EPReffectEntanglement量子信息學(xué)量子計(jì)算機(jī)第84頁(yè)類星體與引力透鏡效應(yīng)1979：Walsh，Carswell，Weymann發(fā)覺(jué)了首個(gè)類星體（0957＋561）引力透鏡現(xiàn)象。隨即，一大批引力透鏡現(xiàn)象（包含愛(ài)因斯坦環(huán)、愛(ài)因斯坦弧等）被發(fā)覺(jué)。第85頁(yè)微波背景輻射各向異性發(fā)覺(jué)COBE衛(wèi)星WMAP衛(wèi)星造成準(zhǔn)確宇宙學(xué)、友好宇宙學(xué)建立第86頁(yè)黑洞物理及其觀察黑洞物理以及黑洞天體物理黑洞吸積及輻射黑洞觀察與證認(rèn)第87頁(yè)引力波探測(cè)間接檢驗(yàn)引力波已經(jīng)有Hulse－Taylor工作（已獲獎(jiǎng)）雙脈沖星