愛因斯坦與國際物理年

愛因斯坦與國際物理年第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日一、2005—世界物理年（一）全球緬懷愛因斯坦

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1905年，年僅26歲的愛因斯坦發(fā)表了有關(guān)量子理論、狹義相對論和布朗運動等方面的5篇論文，從根本上改變了人類看世界的方式。為紀念物理學上的這一“奇跡年”，聯(lián)合國教科文組織將2005年定為“世界物理年”。

第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日該倡議首先由歐洲物理學會（EPS）在2000年“第三屆世界物理學會年會”上提出；2002年，得到國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會（IUPAP）第24次全體大會的一致通過；在2003年召開的聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）全體會議第32次會議上，表決通過了支持2005年為世界物理年的決議；2004年6月10日，聯(lián)合國大會召開第58次會議，會議鼓掌通過了2005年為“國際物理年”的決議。第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日今年是“愛因斯坦”年。我們紀念他，不僅是因為100年前他提出了著名的狹義相對論，更是他那可貴的創(chuàng)新精神。

紅色代表過去,藍色代表未來,黃色和綠色表示連結(jié)過去到未來,要從過去的基礎(chǔ)中建設(shè)未來,綠色代表進步、進展黃色代表和平及團隊合作,科技的進步和國際的合作可以幫助建設(shè)光明的未來第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日2005世界物理年的標識象征的是光錐；然而大部分的人可能從來沒聽過光錐這個名詞，反而看成是沙漏，象征著愛因斯坦在時間相對性上淵博的見解及洞察力。至于標識的配色，或許只是裝飾性的，但卻有另一種不同的見解認為，在光錐的解釋上，未來是藍色的因為我們正朝著未來不斷的奔馳前進，所以也由此呈現(xiàn)藍色循環(huán)。至于紅色循環(huán)代表的是我們所逐漸遠離的過去；黃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、進步；黃色則表示和平、合作及團隊等意思。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；藉由科技的進步及國際間的合作創(chuàng)造出明亮的未來。第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日（二）主題：

近年來，公眾的物理意識在削弱，國際物理社會認為必須采取行動，在“2005—世界物理年”通過展示物理在經(jīng)濟、技術(shù)、文化等方面的重要作用，在全球范圍內(nèi)爭取公眾對物理學的理解與支持，堅定公眾對物理學的信念，推動物理教育，培養(yǎng)物理人才，使物理學在21世紀得到全新的發(fā)展。

第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日把2005年作為國際物理年有三個意義，紀念愛因斯坦，為物理學吸引人才，以及喚起社會對物理學的關(guān)注。第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日全球性的紀念活動包括：“物理照耀世界”光束傳遞活動；“尋找物理天才”；“物理史圖片巡回展”等。中國物理學會也在積極籌備紀念活動，如：制作宣傳海報；推薦優(yōu)秀圖書；組織“世界物理年”專題論壇；組織“物理與交叉科學專題研討會”；組織知識競賽及夏令營；發(fā)行郵資封等。第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日今年美國當?shù)貢r間4月18日，光信號將從愛因斯坦工作過的美國普林斯頓發(fā)出，通過大洋光纜在24小時內(nèi)周游地球。這個活動被命名為“物理照耀世界”。按目前計劃，由美國傳來的光信號首先在上海登陸，然后中國每個省、市、自治區(qū)都會依次行動起來。在北京時間4月19日晚7時，每個地區(qū)都會組織青年學生，讓他們每隔幾十米站一人，組成綿延數(shù)公里的人鏈，然后光信號從人鏈的一端開始，通過學生的手電筒、激光教鞭或其它發(fā)光物，一個人接一個人傳下去。當一個地區(qū)完成光的接力后，最后一人就會通過電子郵件、電話、手機等，向下一地區(qū)發(fā)去信息和圖片，通知他們繼續(xù)接力。最終，傳入我國的光信號將分別向俄羅斯和印度方向傳去。第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日二、認識愛因斯坦：（一）生平：1879年，阿伯特·愛因斯坦出生在德國西南部古城烏耳姆的一個猶太人家庭。1880年，他隨全家搬到慕尼黑，就在那里渡過了他的童年生活。1889年，愛因斯坦進入慕尼黑教會中學讀書。第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日1894年，由于中學的成績除數(shù)學優(yōu)秀之外，其它學科均屬低下，遭到了退學處分

1895年去蘇黎世投考瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學，但未被取錄，只得轉(zhuǎn)學到一間中學。

1896年他考進聯(lián)邦工業(yè)大學師范系學習物理學。1900年畢業(yè)，由于學業(yè)成績并不突出，他找不到一個教職。1902年，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)。此時他利用工余時間繼續(xù)自修理論物理。

第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日1905年，二十六歲的愛因斯坦共發(fā)表了四篇在物理學各領(lǐng)域中最富有創(chuàng)造性的偉大論文。《分子體積的新測定方法》(有關(guān)布朗運動)一文使他獲得蘇黎世大學的哲學博士學位，而《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》(有關(guān)光電效應(yīng))一文更使他于1921年獲得諾貝爾物理學獎。

其余的兩篇創(chuàng)立了狹義相對論，后人認為這是他對物理學最重要的貢獻。

1913年，普朗克和能斯特代表普魯士科學院邀請愛因斯坦回德國工作。

第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日1914年，他擔任威廉大帝物理研究所所長兼柏林大學教授。這個教職給予了愛因斯坦經(jīng)濟上的支持，使他能夠全時間從事研究工作。

1916年，愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論基礎(chǔ)》，這是關(guān)于廣義相對論的第一篇完整的論文，也是對這項工作的總結(jié)。

1933年因受納粹德國的迫害，愛因斯坦遷居美國，任普林斯頓高等學術(shù)研究院教授。

1940年取得美國國籍。1955年病逝普林斯頓。

第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日（二）相對論簡介：1.經(jīng)典時空觀（1）重要概念：①參照系：描述物體的運動狀態(tài)時，被用來當作參照物的物體。②運動的相對性：同一物體的運動，選用不同的參照系去描述時是不同的，這就是運動的相對性。③慣性參照系：牛頓運動定律能夠成立的參照系。實驗證明，相對于慣性參照系做勻速直線運動的參照系也是慣性參照系。第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）伽利略力學相對性原理：在任何一個慣性參照系中，都不可能通過任何的力學實驗，來確定這個參照系是處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)。或者說，力學定律在所有的慣性參照系中都是等價的，具體相同的形式。（3）絕對時間：存在于物質(zhì)之外均勻流逝，與空間沒有任何的關(guān)系；而具體的時間計量，如分，秒等只是相對的時間。第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日（4）絕對空間：也與物質(zhì)無關(guān)，是均勻、恒定不動，且能容納物體及其運動的大容器；具體的空間計量則是相對空間。（5）經(jīng)典的時空觀=絕對時間+絕對空間+伽利略力學相對性原理。2.電磁現(xiàn)象及相對性：“伽利略航船”→“以太”→邁克爾遜---莫雷實驗→光速不變原理：在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關(guān)。第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日。第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.狹義相對論及其時空觀：（1）狹義相對論的基本假設(shè)是：①質(zhì)量和速度的關(guān)系：②光速不變原理：真空中光的傳播速度在各個方向都是相同的，與光源的運動無關(guān)。（2）極限速度與超光速現(xiàn)象：

①光速的極限性

②超光速現(xiàn)象：如探照燈現(xiàn)象等。第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日③質(zhì)能關(guān)系：

質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的?；蛘哒f，物質(zhì)和運動存在著不可分割的聯(lián)系。4.廣義相對論及其時空觀

（1）狹義相對論與萬有引力定律的矛盾

萬有引力定律：萬有引力是一種“超距”作用-----產(chǎn)生和到達是同時的；

狹義相對論：光速是傳播速度的極限。第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）

厄缶的實驗：證明慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的。其中，慣性質(zhì)量是指出現(xiàn)在牛頓第二定律中，表示“慣性的大小”，記作mI

引力質(zhì)量則是牛頓引力定律

中的質(zhì)量，記作mG

行星作圓周運動時，有第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日

（3）

愛因斯坦的啟發(fā)

結(jié)論1：光線在引力場中受到引力場的影響而“走彎路”；

第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日結(jié)論2：光波在引力場中傳播時會改變它的頻率，使光譜線的位置產(chǎn)生移動----引力紅移。愛因斯坦設(shè)想，萬有引力效應(yīng)是空間、時間彎曲的一種表現(xiàn)。第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日（4）

廣義相對論的基本思想：

物質(zhì)在其周圍激發(fā)引力場，這個引力場則反過來作用于其中的物質(zhì)，而引力場就是時間的彎曲?？臻g、時間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結(jié)論趨于一致；當引力較強，空間、時間彎曲較大的情況下，就有區(qū)別。

第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日（三）相對論帶來的重大發(fā)現(xiàn)

（1）時間旅行

（2）原子裂變

（3）宇宙大爆炸和宇宙常數(shù)——暗能量

（4）黑洞大發(fā)現(xiàn)

第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日時間旅行狹義相對論證明高速旅行會使時間變慢，假定將來的某個時候，我們已解決了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以接近于光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時間旅行就變成可能了。

第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日時間機器模型：蟲洞

蟲洞是連接宇宙遙遠區(qū)域間的時空細管，它可以把未來的宇宙和現(xiàn)在的宇宙連接起來，并提供時間旅行的可能性廣義相對論表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞，然后用某種“奇異物質(zhì)”把洞口撐開，使之成為一個突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們在瞬間到達遙遠的另外一個時空。第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日

關(guān)于蟲洞能不能夠建成，還有許多細節(jié)的問題，這只是一個理想的模型。還有即使形成了一個蟲洞，它是否穩(wěn)定？很小的擾動（包括你嘗試穿過它的擾動）會不會導致它坍塌？這些都是科學家們在熱烈討論的問題！

第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日原子裂變愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2表明能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即能量是質(zhì)量的900萬倍。

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煤炭來計算的。第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日

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小塊，然后碾成碎末，可是當你仔細地收集這些碎末后就會發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化。第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日

在1939年，約里奧·居里、費米、西拉德這三位科學家分別獨立發(fā)現(xiàn)了鏈式反應(yīng)，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核受到中子轟擊就會發(fā)生裂變，分裂成兩個中等質(zhì)量的新原子核，放出1～3個中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大能量。這就是鏈式反應(yīng)。后來人們據(jù)此制造出了原子彈。

第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日1945年人類第一顆原子彈在美國爆炸成功，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，其中一部分人瞬間還被還原成基本粒子，真成了魂飛魄散。E=mc2在給人間帶來希望之前，帶來的先是致命的創(chuàng)傷，這一切對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心不已。第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日宇宙大爆炸和暗能量物理學最大的研究對象是宇宙。宇宙是時空和一切物質(zhì)的總和，我們所研究的是我們可以觀察到的宇宙。我們生活在銀河系。第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日1917年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對論方程推導出整個宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個新的概念——宇宙常數(shù)，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。這是一個假想的、用以抵消引力作用的力。第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日但是，1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠離我們而去，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功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)模“放大”到無窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識和宇宙膨脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。

1948年，伽莫夫和他的學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演化的理論——大爆炸理論。

第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。在爆炸發(fā)生之前，宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起，并濃縮成很小的體積，溫度極高，密度極大，之后發(fā)生了大爆炸。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逐漸形成的第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日根據(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，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個非凡的預言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度已降到6K左右。

1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師——彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機會發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過測量和計算，得出這個殘余輻射的溫度是2.7K(比伽莫夫預言的溫度要低)，一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。第五十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日暗能量1998年，天文學家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠的星系遠離我們的速度越來越快。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方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學家們把它稱為“暗能量”。

第五十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日第五十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日近年