愛因斯坦及國(guó)際物理年

1、國(guó)際物理年系列活動(dòng)：國(guó)際物理年系列活動(dòng)：科學(xué)報(bào)告科學(xué)報(bào)告一、一、2005世界物理年世界物理年（一）全球緬懷愛因斯坦（一）全球緬懷愛因斯坦 ： 1905年，年僅年，年僅26歲的愛因斯坦發(fā)歲的愛因斯坦發(fā)表了有關(guān)表了有關(guān)量子理論、狹義相對(duì)論和布朗量子理論、狹義相對(duì)論和布朗運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)等方面的等方面的5篇論文，從根本上改變篇論文，從根本上改變了人類看世界的方式。為紀(jì)念物理學(xué)上了人類看世界的方式。為紀(jì)念物理學(xué)上的這一的這一“奇跡年奇跡年”，聯(lián)合國(guó)教科文組織，聯(lián)合國(guó)教科文組織將將2005年定為年定為“世界物理年世界物理年”。 該倡議首先由該倡議首先由 歐洲物理學(xué)會(huì)（歐洲物理學(xué)會(huì)（ EPS ）在在2000 年年

2、“第三屆世界物理學(xué)會(huì)年會(huì)第三屆世界物理學(xué)會(huì)年會(huì)”上提出；上提出； 2002年，得到國(guó)際純粹與應(yīng)年，得到國(guó)際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）第第24次全體大次全體大會(huì)的一致通過；在會(huì)的一致通過；在2003年召開的聯(lián)合國(guó)年召開的聯(lián)合國(guó)教科文組織（教科文組織（UNESCO）全體會(huì)議第全體會(huì)議第32次會(huì)議上，表決通過了支持次會(huì)議上，表決通過了支持2005年為世年為世界物理年的決議；界物理年的決議；2004年年6月月10日，聯(lián)日，聯(lián)合國(guó)大會(huì)召開第合國(guó)大會(huì)召開第58次會(huì)議，會(huì)議鼓掌通次會(huì)議，會(huì)議鼓掌通過了過了2005年為年為 “國(guó)際物理年國(guó)際物理年” 的決議。的決議。 今年是今年是“愛因斯

3、坦愛因斯坦”年。我們紀(jì)念他，不僅是因?yàn)槟?。我們紀(jì)念他，不僅是因?yàn)?00年前他提出了著名的狹義相對(duì)論，更是他那可貴年前他提出了著名的狹義相對(duì)論，更是他那可貴的創(chuàng)新精神。的創(chuàng)新精神。 紅色代表過去紅色代表過去,藍(lán)色代表未來藍(lán)色代表未來,黃色和綠色表示連結(jié)過黃色和綠色表示連結(jié)過去到未來去到未來 ,要從過去的基礎(chǔ)中建設(shè)未來要從過去的基礎(chǔ)中建設(shè)未來,綠色代表進(jìn)步、綠色代表進(jìn)步、進(jìn)展黃色代表和平及團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)展黃色代表和平及團(tuán)隊(duì)合作,科技的進(jìn)步和國(guó)際的合科技的進(jìn)步和國(guó)際的合作可以幫助建設(shè)光明的未來作可以幫助建設(shè)光明的未來2005 世界物理年的標(biāo)識(shí)象征的是光錐；然而大部分世界物理年的標(biāo)識(shí)象征的是光錐；然而大部

4、分的人可能從來沒聽過光錐這個(gè)名詞，反而看成是沙漏，的人可能從來沒聽過光錐這個(gè)名詞，反而看成是沙漏，象征著愛因斯坦在時(shí)間相對(duì)性上淵博的見解及洞察力。象征著愛因斯坦在時(shí)間相對(duì)性上淵博的見解及洞察力。至于標(biāo)識(shí)的配色，或許只是裝飾性的，但卻有另一種不至于標(biāo)識(shí)的配色，或許只是裝飾性的，但卻有另一種不同的見解認(rèn)為，在光錐的解釋上，未來是藍(lán)色的因?yàn)槲彝囊娊庹J(rèn)為，在光錐的解釋上，未來是藍(lán)色的因?yàn)槲覀冋磥聿粩嗟谋捡Y前進(jìn)，所以也由此呈現(xiàn)藍(lán)色循們正朝著未來不斷的奔馳前進(jìn)，所以也由此呈現(xiàn)藍(lán)色循環(huán)。至于紅色循環(huán)代表的是我們所逐漸遠(yuǎn)離的過去；黃環(huán)。至于紅色循環(huán)代表的是我們所逐漸遠(yuǎn)離的過去；黃色及綠色的斜向線條則表

5、示將過去連結(jié)至未來。綠色在色及綠色的斜向線條則表示將過去連結(jié)至未來。綠色在這里代表的意思是前進(jìn)、進(jìn)步；黃色則表示和平、合作這里代表的意思是前進(jìn)、進(jìn)步；黃色則表示和平、合作及團(tuán)隊(duì)等意思。也就是說我們要藉由這些特質(zhì)從過去的及團(tuán)隊(duì)等意思。也就是說我們要藉由這些特質(zhì)從過去的基礎(chǔ)上去建設(shè)未來；藉由科技的進(jìn)步及國(guó)際間的合作創(chuàng)基礎(chǔ)上去建設(shè)未來；藉由科技的進(jìn)步及國(guó)際間的合作創(chuàng)造出明亮的未來造出明亮的未來。（二）主題（二）主題： 近年來，公眾的物理意識(shí)在削弱，近年來，公眾的物理意識(shí)在削弱，國(guó)際物理社會(huì)認(rèn)為必須采取行動(dòng)，在國(guó)際物理社會(huì)認(rèn)為必須采取行動(dòng)，在 “ 2005世界物理年世界物理年”通過展示物理通過展示物理

6、在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、文化等方面的重要作用，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、文化等方面的重要作用，在全球范圍內(nèi)爭(zhēng)取公眾對(duì)物理學(xué)的理解在全球范圍內(nèi)爭(zhēng)取公眾對(duì)物理學(xué)的理解與支持，堅(jiān)定公眾對(duì)物理學(xué)的信念，推與支持，堅(jiān)定公眾對(duì)物理學(xué)的信念，推動(dòng)物理教育，培養(yǎng)物理人才，使物理學(xué)動(dòng)物理教育，培養(yǎng)物理人才，使物理學(xué)在在 21 世紀(jì)得到全新的發(fā)展。世紀(jì)得到全新的發(fā)展。 把把2005年作為國(guó)際物理年年作為國(guó)際物理年有三個(gè)意義，紀(jì)念愛因斯坦，有三個(gè)意義，紀(jì)念愛因斯坦，為物理學(xué)吸引人才，以及喚為物理學(xué)吸引人才，以及喚起社會(huì)對(duì)物理學(xué)的關(guān)注。起社會(huì)對(duì)物理學(xué)的關(guān)注。全球性的紀(jì)念活動(dòng)包括：全球性的紀(jì)念活動(dòng)包括：“ 物理照耀世界”光束傳遞活動(dòng)；“尋找

7、物理天才”；“物理史圖片巡回展”等。中國(guó)物理學(xué)會(huì)也在積極籌備紀(jì)念活動(dòng)，如：制作宣傳海報(bào)；推薦優(yōu)秀圖書；組織 “世界物理年” 專題論壇；組織“物理與交叉科學(xué)專題研討會(huì)”；組織知識(shí)競(jìng)賽及夏令營(yíng)；發(fā)行郵資封等。今年美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間今年美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月月18日，光信號(hào)將從愛因斯坦日，光信號(hào)將從愛因斯坦工作過的美國(guó)普林斯頓發(fā)出，通過大洋光纜在工作過的美國(guó)普林斯頓發(fā)出，通過大洋光纜在24小時(shí)小時(shí)內(nèi)周游地球。這個(gè)活動(dòng)被命名為內(nèi)周游地球。這個(gè)活動(dòng)被命名為“物理照耀世界物理照耀世界”。按目前計(jì)劃，由美國(guó)傳來的光信號(hào)首先在上海按目前計(jì)劃，由美國(guó)傳來的光信號(hào)首先在上海登陸，然后中國(guó)每個(gè)省、市、自治區(qū)都會(huì)依次行動(dòng)起登陸，

8、然后中國(guó)每個(gè)省、市、自治區(qū)都會(huì)依次行動(dòng)起來。在北京時(shí)間來。在北京時(shí)間4月月19日晚日晚7時(shí)，每個(gè)地區(qū)都會(huì)組織時(shí)，每個(gè)地區(qū)都會(huì)組織青年學(xué)生，讓他們每隔幾十米站一人，組成綿延數(shù)公青年學(xué)生，讓他們每隔幾十米站一人，組成綿延數(shù)公里的人鏈，然后光信號(hào)從人鏈的一端開始，通過學(xué)生里的人鏈，然后光信號(hào)從人鏈的一端開始，通過學(xué)生的手電筒、激光教鞭或其它發(fā)光物，一個(gè)人接一個(gè)人的手電筒、激光教鞭或其它發(fā)光物，一個(gè)人接一個(gè)人傳下去。當(dāng)一個(gè)地區(qū)完成光的接力后，最后一人就會(huì)傳下去。當(dāng)一個(gè)地區(qū)完成光的接力后，最后一人就會(huì)通過電子郵件、電話、手機(jī)等，向下一地區(qū)發(fā)去信息通過電子郵件、電話、手機(jī)等，向下一地區(qū)發(fā)去信息和圖片，通知

9、他們繼續(xù)接力。最終，傳入我國(guó)的光信和圖片，通知他們繼續(xù)接力。最終，傳入我國(guó)的光信號(hào)將分別向俄羅斯和印度方向傳去。號(hào)將分別向俄羅斯和印度方向傳去。 二、認(rèn)識(shí)愛因斯坦：二、認(rèn)識(shí)愛因斯坦：（一）生平：（一）生平： 1879年，阿伯特年，阿伯特愛因斯坦出生在愛因斯坦出生在德國(guó)西南部古城烏耳姆的一個(gè)猶太人家德國(guó)西南部古城烏耳姆的一個(gè)猶太人家庭。庭。 1880 1880年，他隨全家搬到慕尼黑，就年，他隨全家搬到慕尼黑，就在那里渡過了他的童年生活。在那里渡過了他的童年生活。 1889 1889年，愛因斯坦進(jìn)入慕尼黑教會(huì)年，愛因斯坦進(jìn)入慕尼黑教會(huì)中學(xué)讀書。中學(xué)讀書。 1894年，由于中學(xué)的成績(jī)除數(shù)學(xué)優(yōu)秀之外，

10、年，由于中學(xué)的成績(jī)除數(shù)學(xué)優(yōu)秀之外，其它學(xué)科均屬低下，遭到了退學(xué)處分其它學(xué)科均屬低下，遭到了退學(xué)處分 1895年去蘇黎世投考瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，但年去蘇黎世投考瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，但未被取錄，只得轉(zhuǎn)學(xué)到一間中學(xué)。未被取錄，只得轉(zhuǎn)學(xué)到一間中學(xué)。 1896年他考進(jìn)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系學(xué)習(xí)物理年他考進(jìn)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)師范系學(xué)習(xí)物理學(xué)。學(xué)。 19001900年畢業(yè)，由于學(xué)業(yè)成績(jī)并不突出，他找不年畢業(yè)，由于學(xué)業(yè)成績(jī)并不突出，他找不到一個(gè)教職。到一個(gè)教職。 19021902年，年， 愛因斯坦終于在伯爾尼找到了聯(lián)邦愛因斯坦終于在伯爾尼找到了聯(lián)邦專利局審查員的職務(wù)。此時(shí)他利用工余時(shí)間繼專利局審查員的職務(wù)。此時(shí)他利用工余時(shí)

11、間繼續(xù)自修理論物理。續(xù)自修理論物理。 1905年，二十六歲的愛因斯坦共發(fā)表了年，二十六歲的愛因斯坦共發(fā)表了四篇在物理學(xué)各領(lǐng)域中最富有創(chuàng)造性的偉四篇在物理學(xué)各領(lǐng)域中最富有創(chuàng)造性的偉大論文。分子體積的新測(cè)定方法大論文。分子體積的新測(cè)定方法(有有關(guān)布朗運(yùn)動(dòng)關(guān)布朗運(yùn)動(dòng))一文使他獲得蘇黎世大學(xué)的一文使他獲得蘇黎世大學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位，而關(guān)于光的產(chǎn)生和哲學(xué)博士學(xué)位，而關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)(有關(guān)光電效應(yīng)有關(guān)光電效應(yīng))一文一文更使他于更使他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 其余的兩篇?jiǎng)?chuàng)立了狹義相對(duì)論，后人認(rèn)為其余的兩篇?jiǎng)?chuàng)立了狹義相對(duì)論，后人認(rèn)為這是他對(duì)物理

12、學(xué)最重要的貢獻(xiàn)。這是他對(duì)物理學(xué)最重要的貢獻(xiàn)。 1913年，普朗克和能斯特代表普魯士科年，普朗克和能斯特代表普魯士科學(xué)院邀請(qǐng)愛因斯坦回德國(guó)工作。學(xué)院邀請(qǐng)愛因斯坦回德國(guó)工作。 1914年，他擔(dān)任威廉大帝物理研究所年，他擔(dān)任威廉大帝物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。這個(gè)教職給予了所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。這個(gè)教職給予了愛因斯坦經(jīng)濟(jì)上的支持，使他能夠全時(shí)愛因斯坦經(jīng)濟(jì)上的支持，使他能夠全時(shí)間從事研究工作。間從事研究工作。 1916年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論基礎(chǔ)，這是關(guān)于廣義相對(duì)論的第一論基礎(chǔ)，這是關(guān)于廣義相對(duì)論的第一篇完整的論文，也是對(duì)這項(xiàng)工作的總結(jié)。篇完整的論文，也是對(duì)這項(xiàng)工作的總結(jié)

13、。 1933年因受納粹德國(guó)的迫害，愛因斯年因受納粹德國(guó)的迫害，愛因斯坦遷居美國(guó)，任普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究坦遷居美國(guó)，任普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究院教授。院教授。 1940年取得美國(guó)國(guó)籍。年取得美國(guó)國(guó)籍。 1955年病逝普林斯頓。年病逝普林斯頓。 （二）相對(duì)論簡(jiǎn)介：（二）相對(duì)論簡(jiǎn)介： 1. 1.經(jīng)典時(shí)空觀經(jīng)典時(shí)空觀 （1 1）重要概念重要概念： 參照系參照系：描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，被用：描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，被用來當(dāng)作參照物的物體。來當(dāng)作參照物的物體。 運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性：同一物體的運(yùn)動(dòng)，選用：同一物體的運(yùn)動(dòng)，選用不同的參照系去描述時(shí)是不同的，這就是運(yùn)不同的參照系去描述時(shí)是不同的，這就是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)

14、性。動(dòng)的相對(duì)性。 慣性參照系慣性參照系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的：牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參照系。參照系。 實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)于慣性參照系做勻速直線實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)于慣性參照系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。（2）伽利略力學(xué)相對(duì)性原理伽利略力學(xué)相對(duì)性原理： 在任何一個(gè)慣性參照系中，都不可在任何一個(gè)慣性參照系中，都不可能通過任何的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，來確定這個(gè)參能通過任何的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，來確定這個(gè)參照系是處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。照系是處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；蛘哒f，力學(xué)定律在所有的慣性參照系或者說，力學(xué)定律在所有的慣性參照系中都是等價(jià)的，具體相同的形式。中都是等價(jià)的，具體相同的

15、形式。（3）絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)時(shí)間： 存在于物質(zhì)之外均勻流逝，與空間存在于物質(zhì)之外均勻流逝，與空間沒有任何的關(guān)系；而具體的時(shí)間計(jì)量，沒有任何的關(guān)系；而具體的時(shí)間計(jì)量，如分，秒等只是相對(duì)的時(shí)間。如分，秒等只是相對(duì)的時(shí)間。（4）絕對(duì)空間絕對(duì)空間： 也與物質(zhì)無關(guān)，是均勻、恒定不動(dòng)，也與物質(zhì)無關(guān)，是均勻、恒定不動(dòng)，且能容納物體及其運(yùn)動(dòng)的大容器；具體且能容納物體及其運(yùn)動(dòng)的大容器；具體的空間計(jì)量則是相對(duì)空間。的空間計(jì)量則是相對(duì)空間。（5）經(jīng)典的時(shí)空觀經(jīng)典的時(shí)空觀=絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)時(shí)間+絕對(duì)空間絕對(duì)空間+伽利略力學(xué)相對(duì)性原理伽利略力學(xué)相對(duì)性原理。 2.電磁現(xiàn)象及相對(duì)性電磁現(xiàn)象及相對(duì)性： “伽利略航船伽利略航船”“以太

16、以太” 邁克爾邁克爾遜遜-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)光速不變?cè)恚涸诓煌馑俨蛔冊(cè)恚涸诓煌摹⑾鄬?duì)作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系中，的、相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系中，測(cè)得的光速同傳播方向無關(guān)。測(cè)得的光速同傳播方向無關(guān)。 3.狹義相對(duì)論及其時(shí)空觀狹義相對(duì)論及其時(shí)空觀 ：（1）狹義相對(duì)論的基本假設(shè)狹義相對(duì)論的基本假設(shè)是：是： 質(zhì)量和速度的關(guān)系質(zhì)量和速度的關(guān)系： 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)恚赫婵罩泄獾膫鞑ィ赫婵罩泄獾膫鞑ニ俣仍诟鱾€(gè)方向都是相同的，與光源的速度在各個(gè)方向都是相同的，與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。運(yùn)動(dòng)無關(guān)。（2 2）極限速度與超光速現(xiàn)象極限速度與超光速現(xiàn)象： 光速的極限性光速的極限性 超光速現(xiàn)象超光速現(xiàn)象：如探照燈現(xiàn)

17、象等。：如探照燈現(xiàn)象等。 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系： 質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的?；蛘哒f，質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的?；蛘哒f，物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)存在著不可分割的聯(lián)系。物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)存在著不可分割的聯(lián)系。 4. 廣義相對(duì)論及其時(shí)空觀廣義相對(duì)論及其時(shí)空觀 （1） 狹義相對(duì)論與萬有引力定律的矛盾狹義相對(duì)論與萬有引力定律的矛盾 萬有引力定律萬有引力定律：萬有引力是一種：萬有引力是一種“超距超距”作作用用-產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的；產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的； 狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論：光速是傳播速度的極限。：光速是傳播速度的極限。2mcE （2） 厄缶的實(shí)驗(yàn)厄缶的實(shí)驗(yàn)： 證明證明慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的。 其中

18、，其中，慣性質(zhì)量慣性質(zhì)量是指出現(xiàn)在牛頓第二定是指出現(xiàn)在牛頓第二定律律 中，表示中，表示“慣性的大小慣性的大小”，記作記作m I 引力質(zhì)量引力質(zhì)量則是牛頓引力定律則是牛頓引力定律 中的質(zhì)量，記作中的質(zhì)量，記作m G 行星作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，有行星作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，有amFI2rGMmfG2rGMa （ 3） 愛因斯坦的啟發(fā)愛因斯坦的啟發(fā) 結(jié)論結(jié)論1：光線在引力場(chǎng)中受到引力場(chǎng)的影：光線在引力場(chǎng)中受到引力場(chǎng)的影響而響而“走彎路走彎路”； 結(jié)論結(jié)論2：光波在引力場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì)改變它的頻率，：光波在引力場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì)改變它的頻率，使光譜線的位置產(chǎn)生移動(dòng)使光譜線的位置產(chǎn)生移動(dòng)-引力紅移。引力紅移。 愛因斯坦設(shè)想，愛因斯

19、坦設(shè)想，萬有引力效應(yīng)是空間、萬有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)。（4） 廣義相對(duì)論的基本思想廣義相對(duì)論的基本思想： 物質(zhì)在其周圍激發(fā)引力場(chǎng)，這個(gè)引力場(chǎng)物質(zhì)在其周圍激發(fā)引力場(chǎng)，這個(gè)引力場(chǎng)則反過來作用于其中的物質(zhì)，而引力場(chǎng)就是則反過來作用于其中的物質(zhì)，而引力場(chǎng)就是時(shí)間的彎曲時(shí)間的彎曲。 空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動(dòng)量密度在空間、時(shí)間中的分布；量密度、動(dòng)量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運(yùn)行軌道。的運(yùn)行軌道。 在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況在引力不強(qiáng)，

20、空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對(duì)論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律下，廣義相對(duì)論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的情況下，就有區(qū)強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的情況下，就有區(qū)別。別。 （三）相對(duì)論帶來的重大發(fā)現(xiàn)（三）相對(duì)論帶來的重大發(fā)現(xiàn) （1）時(shí)間旅行時(shí)間旅行 （2）原子裂變?cè)恿炎?（3）宇宙大爆炸和宇宙常數(shù)宇宙大爆炸和宇宙常數(shù)暗能量暗能量 （4）黑洞大發(fā)現(xiàn)黑洞大發(fā)現(xiàn) 時(shí)間旅行時(shí)間旅行 狹義相對(duì)論證明高速旅行會(huì)使時(shí)間狹義相對(duì)論證明高速旅行會(huì)使時(shí)間變慢，假定將來的某個(gè)時(shí)候，我們已解變慢，假定將來的某個(gè)時(shí)候，我們已解決

21、了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以決了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以接近于光速飛行的宇宙飛船，一定意義接近于光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時(shí)間旅行就變成可能了。上的時(shí)間旅行就變成可能了。 時(shí)間機(jī)器模型：蟲洞時(shí)間機(jī)器模型：蟲洞 蟲洞是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管，它蟲洞是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管，它可以把未來的宇宙和現(xiàn)在的宇宙連接起來，可以把未來的宇宙和現(xiàn)在的宇宙連接起來，并提供時(shí)間旅行的可能性并提供時(shí)間旅行的可能性 廣義相對(duì)論表明，時(shí)空可以不是平坦的，廣義相對(duì)論表明，時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠(yuǎn)的地方這兩點(diǎn)之間鑿出一個(gè)地方這

22、兩點(diǎn)之間鑿出一個(gè)蟲洞蟲洞，然后用某種，然后用某種“奇異物質(zhì)奇異物質(zhì)”把洞口撐開，使之成為一個(gè)突把洞口撐開，使之成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們?cè)谒踩怀霈F(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們?cè)谒查g到達(dá)遙遠(yuǎn)的另外一個(gè)時(shí)空。間到達(dá)遙遠(yuǎn)的另外一個(gè)時(shí)空。 關(guān)于蟲洞能不能夠建成，還有許多細(xì)關(guān)于蟲洞能不能夠建成，還有許多細(xì)節(jié)的問題，這只是一個(gè)理想的模型。節(jié)的問題，這只是一個(gè)理想的模型。 還有即使形成了一個(gè)蟲洞，它是否穩(wěn)還有即使形成了一個(gè)蟲洞，它是否穩(wěn)定？很小的擾動(dòng)（包括你嘗試穿過它的定？很小的擾動(dòng)（包括你嘗試穿過它的擾動(dòng)）會(huì)不會(huì)導(dǎo)致它坍塌？擾動(dòng)）會(huì)不會(huì)導(dǎo)致它坍塌？ 這些都是科學(xué)家們?cè)跓崃矣懻摰膯栴}！這些

23、都是科學(xué)家們?cè)跓崃矣懻摰膯栴}！ 原子裂變?cè)恿炎?愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式：愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2 表明能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即表明能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即能量是質(zhì)量的能量是質(zhì)量的900萬倍。萬倍。 那么指甲蓋般大小的物質(zhì)的質(zhì)量如果那么指甲蓋般大小的物質(zhì)的質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是用以幾萬噸完全消失，其釋放的能量是用以幾萬噸煤炭來計(jì)算的。煤炭來計(jì)算的。 遺憾的是，沒人能隨便減少質(zhì)量，遺憾的是，沒人能隨便減少質(zhì)量，譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細(xì)地小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細(xì)地收集這些碎末后就

24、會(huì)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未收集這些碎末后就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化變化。 在在1939年，約里奧年，約里奧居里、費(fèi)米、西拉德這居里、費(fèi)米、西拉德這三位科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了三位科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使人類，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核的核受到中子轟擊就會(huì)發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)中等受到中子轟擊就會(huì)發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的新原子核，放出質(zhì)量的新原子核，放出13個(gè)中子，并釋放個(gè)中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨

25、大能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 后來人們據(jù)此制造出了原子彈。后來人們據(jù)此制造出了原子彈。 1945年人類第一顆原子彈在美國(guó)年人類第一顆原子彈在美國(guó)爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷爆炸成功，緊接著日本人遭受了人類歷史上最殘酷的懲罰，幾十萬人死傷，其史上最殘酷的懲罰，幾十萬人死傷，其中一部分人瞬間還被還原成基本粒子，中一部分人瞬間還被還原成基本粒子，真成了魂飛魄散。真成了魂飛魄散。E=mc2在給人間帶在給人間帶來希望之前，帶來的先是致命的創(chuàng)傷，來希望之前，帶來的先是致命的創(chuàng)傷，這一切對(duì)于深愛和平的愛因斯坦來說無這一切對(duì)于深愛和平的愛因斯坦來說無疑是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛疑

26、是一記重拳，直至臨死前他仍為此痛心不已。心不已。宇宙大爆炸和暗能量宇宙大爆炸和暗能量物理學(xué)最大的研究對(duì)象是宇宙。物理學(xué)最大的研究對(duì)象是宇宙。 宇宙是時(shí)空和一切物質(zhì)的總和，我們宇宙是時(shí)空和一切物質(zhì)的總和，我們所研究的是我們可以觀察到的宇宙。所研究的是我們可以觀察到的宇宙。我們生活在銀河系。我們生活在銀河系。 1917年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對(duì)論方年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對(duì)論方程推導(dǎo)出整個(gè)宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這程推導(dǎo)出整個(gè)宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個(gè)只有引力作用的模型中，宇宙不是膨樣一個(gè)只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。脹就是收縮。 為了使這個(gè)宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在為了

27、使這個(gè)宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個(gè)新的概念他的方程里額外增加了一個(gè)新的概念宇宇宙常數(shù)宙常數(shù)，它表示的是一種斥力，同引力相反，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)。這是一它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)。這是一個(gè)假想的、用以抵消引力作用的力。個(gè)假想的、用以抵消引力作用的力。 但是，但是，1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。遠(yuǎn)離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。 1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈功，看著蘑菇云升起的照片，

28、伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)模感：把原子彈規(guī)?！胺糯蠓糯蟆钡綗o窮大，不就到無窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識(shí)和宇宙膨成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識(shí)和宇宙膨脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。爆炸宇宙理論體系。 1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論演化的理論大爆炸理論。大爆炸理論。 宇宙是由大約宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。炸形成的。在爆炸發(fā)生之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能在爆炸發(fā)生

29、之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了大爆炸。大爆炸。大爆炸使物質(zhì)四散開來，宇宙空間不斷膨大爆炸使物質(zhì)四散開來，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來相繼出現(xiàn)在脹，溫度也相應(yīng)下降，后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的逐漸形成的 根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，片由微觀粒子構(gòu)

30、成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個(gè)非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐還作出了一個(gè)非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度已降到已降到6K左右。左右。 1964年，美國(guó)貝爾電話公司年輕的工程年，美國(guó)貝爾電話公司年輕的工程師師彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機(jī)彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻會(huì)發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過測(cè)量和計(jì)算，得出這個(gè)殘余輻射的射，經(jīng)過測(cè)量和計(jì)算，得出這個(gè)殘余輻射的溫度是溫度是2.7K(比伽莫夫

31、預(yù)言的溫度要低比伽莫夫預(yù)言的溫度要低)，一，一般稱為般稱為3K宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。的佐證了宇宙大爆炸理論。暗能量暗能量 1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴(kuò)張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們度向外擴(kuò)張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把

32、它稱為能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量暗能量”。 近年來，科學(xué)家們通過各種的觀測(cè)近年來，科學(xué)家們通過各種的觀測(cè)和計(jì)算證實(shí)，暗能量不僅存在，而且在和計(jì)算證實(shí)，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達(dá)到宇宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達(dá)到宇宙總量的宙總量的73%，而宇宙中的暗物質(zhì)約，而宇宙中的暗物質(zhì)約占占23%、普通物質(zhì)僅約占、普通物質(zhì)僅約占4%。 暗能量是怎么來的？它將如何發(fā)展？暗能量是怎么來的？它將如何發(fā)展？這已經(jīng)是這已經(jīng)是21世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重大問題之一。大問題之一。 黑洞黑洞 廣義相對(duì)論表明，引力場(chǎng)可以造成空廣義相對(duì)論表明，引力場(chǎng)可以造成空間彎曲，強(qiáng)大的引力場(chǎng)可以造成強(qiáng)烈的間彎曲，強(qiáng)大的引力場(chǎng)可以造成