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，編輯于2023年，星期日愛因斯坦、霍金與相對論的發(fā)展

主講：北京師范大學(xué)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，編輯于2023年，星期日1943年8月出生于四川成都。1967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位（導(dǎo)師劉遼教授），1987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位（導(dǎo)師普利高津教授，諾貝爾獎金獲得者）。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任?，F(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長。

趙崢教授第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日趙崢教授長期從事理論物理的教學(xué)與研究，為本科生和研究生講授過統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、近代物理學(xué)進(jìn)展、物理學(xué)史、廣義相對論、黑洞物理學(xué)和彎曲時空量子場論等課程。參加和承擔(dān)過多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(diǎn)、鐘速同步和熱力學(xué)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(jìn)步二等獎。

第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日主要著作有《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(xué)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(xué)科教學(xué)論專業(yè)的研究生、課程班學(xué)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(dān)任國家教育部中學(xué)《科學(xué)課程標(biāo)

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

第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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(jǐn)以本講座做為紀(jì)念活動的前奏！第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

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

伯爾尼發(fā)明專利局1909～1914年進(jìn)入大學(xué)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(xué)教授，院士1915年提出廣義相對論1933～1955年美國普林斯頓大學(xué)高級研究所第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

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?。ú┦空撐模┎祭蔬\(yùn)動相對論E＝mc2光子說第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日相對論（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(dá)式的伽利略變換

光速對不同參考系應(yīng)不同，不應(yīng)是同一個C值光速C是一個常數(shù)第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日實(shí)驗(yàn)上的困難地球相對于以太運(yùn)動嗎？光行差現(xiàn)象：地球相對以太有運(yùn)動第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日邁克爾遜實(shí)驗(yàn)：未測到以太漂移（1887年）第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日洛倫茲等人為解釋邁克爾遜實(shí)驗(yàn)提出（1892年）洛倫茲收縮第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期日洛倫茲的觀點(diǎn)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(xué)形式不同，而且物理解釋也不同）第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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(shí)驗(yàn)（邁克爾遜實(shí)驗(yàn)）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，編輯于2023年，星期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，編輯于2023年，星期日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(xué)基礎(chǔ)4）廣義相對論的核心5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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(jìn)相對論框架第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期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(fù)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(xué)基礎(chǔ):黎曼幾何與張量分析第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日4）廣義相對論的核心場方程運(yùn)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(yùn)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(yùn)動都是慣性運(yùn)動第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證引力紅移、光線偏折、行星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期日宇宙項(xiàng)：

宇宙項(xiàng)（1917年提出，1923年放棄）

第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日亮星

0.5％

重子4％中微子0.3％冷暗物質(zhì)29％

起源于λ

動力學(xué)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，編輯于2023年，星期日4、黑洞1）從牛頓理論預(yù)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，編輯于2023年，星期日《天體力學(xué)》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(yù)言原因：1801年托馬斯·楊完成干涉實(shí)驗(yàn)，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，編輯于2023年，星期日2）從廣義相對論預(yù)言＊1916年史瓦西解，史瓦西時空中的奇點(diǎn)與奇面＊1939年奧本海默從GR預(yù)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(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星（天狼B星）并已預(yù)言了中子星（1932年朗道）

第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期日＊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(diǎn)第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日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(xué)獎中子的預(yù)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，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期日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(xué)1974年霍金輻射80年代后無重大進(jìn)展第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日A、黑洞熱力學(xué)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(xué)

④霍金等人反對，但給出黑洞力學(xué)四定律（1973年）⑤Unruh效應(yīng)：在真空中做勻加速直線運(yùn)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(yīng)產(chǎn)生熱輻射，T∝K第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日B、關(guān)于奇點(diǎn)定理①黑洞與白洞的奇點(diǎn)、奇環(huán)，大爆炸宇宙的奇點(diǎn)②卡拉特尼可夫與栗弗席茲的錯誤③彭若斯的工作，奇點(diǎn)看作時間的開始與結(jié)束。（