第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件

改變世界的物理學(xué)趙崢北京師范大學(xué)物理系2009年9月改變世界的物理學(xué)趙崢從愛(ài)因斯坦到霍金的宇宙趙崢北京師范大學(xué)物理系2011年10月2013年3月修改從愛(ài)因斯坦到霍金的宇宙趙崢第一講愛(ài)因斯坦

和

量子論與相對(duì)論的誕生第一講愛(ài)因斯坦

和

量子論與相對(duì)論的誕生第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件一、物理學(xué)的開(kāi)端二、愛(ài)因斯坦的豐收年三、相對(duì)論的建立四、狹義相對(duì)論一、物理學(xué)的開(kāi)端物理學(xué)（Physics）這個(gè)詞起源于亞歷士多德公元前300多年，古希臘蘇格拉底柏拉圖亞歷士多德一、物理學(xué)的開(kāi)端物理學(xué)（Physics）這個(gè)詞起源于亞歷士多德柏拉圖亞歷士多

原天地之美，

而達(dá)萬(wàn)物之理?！f子 原天地之美，第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件（與諸生歌于天泉橋）其一萬(wàn)里中秋月正晴，四山云靄忽然生。須臾濁霧隨風(fēng)散，依舊青天此月明?？闲帕贾幻?，從他外物豈能攖。老夫今夜狂歌發(fā)，化作鈞天滿太清。王陽(yáng)明《月夜二首》（與諸生歌于天泉橋）王陽(yáng)明《月夜二首》其二處處中秋此月明，不知何處亦群英。須憐絕學(xué)經(jīng)千載，莫負(fù)男兒過(guò)一生。影響尚疑朱仲晦，支離羞作鄭康成。鏗然舍瑟春風(fēng)里，點(diǎn)也雖狂得我情。注：靄（ǎi）昧（mèi）攖（yīng）其二關(guān)于探究式學(xué)習(xí)*西方的洋學(xué)堂*中國(guó)的書(shū)院關(guān)于探究式學(xué)習(xí)細(xì)推物理須行樂(lè)，何用浮名絆此生。

杜甫細(xì)推物理須行樂(lè)，何用浮名絆此生。物含妙理總堪尋

乾隆題頤和園寶云閣（境自遠(yuǎn)塵皆入詠）第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件阿基米德

（亞歷山大科學(xué)院，前287-前212年）浮力定律杠桿原理“給我支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球！”重心的概念阿基米德

（亞歷山大科學(xué)院，前287-前212年）浮力定律1564年米開(kāi)朗基羅逝世莎士比亞、伽利略出生

1564年“物理學(xué)”真正開(kāi)始于伽利略他使物理學(xué)成為一門(mén)“實(shí)驗(yàn)的科學(xué)”、“測(cè)量的科學(xué)”（彭加勒：凡是不能測(cè)量的東西都不能算是自然科學(xué)）“物理學(xué)”真正開(kāi)始于伽利略他使物理學(xué)成為一門(mén)（彭加勒：凡是不伽利略慣性定律相對(duì)性原理自由落體定律伽利略慣性定律慣性定律虛空中運(yùn)動(dòng)的原子，由于沒(méi)有阻力，將一直等速運(yùn)動(dòng)下去（公元前400年左右，德謨克利特等古希臘哲學(xué)家）慣性定律虛空中運(yùn)動(dòng)的原子，由于沒(méi)有阻力，將一直等速運(yùn)動(dòng)下去亞里士多德：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因伽利略斜面實(shí)驗(yàn)：維持運(yùn)動(dòng)不需要力重申了慣性定律亞里士多德：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)相對(duì)性原理

地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺(jué)舟之運(yùn)也。 漢《尚書(shū)緯?考靈曜》相對(duì)性原理第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件伽利略《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（1632年）《兩門(mén)新科學(xué)》（1638年）伽利略《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（1632年）自由落體定律比薩斜塔上的自由落體實(shí)驗(yàn)自由落體定律比薩斜塔上的自由落體實(shí)驗(yàn)伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)斜面運(yùn)動(dòng)是“減緩了的”或“沖淡了的”自由落體運(yùn)動(dòng)。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)斜面實(shí)驗(yàn)慣性定律自由落體定律熟能生巧，舉一反三斜面實(shí)驗(yàn)慣性定律自由落體定律熟能生巧，舉一反三1642年（對(duì)物理學(xué)重要的一年）1642.1.8伽利略逝世1642的圣誕節(jié)之夜牛頓出生（儒略歷1642.12.25格利高里歷1643.1.4）（1644年李自成進(jìn)京，清軍入關(guān)）1642年（對(duì)物理學(xué)重要的一年）1642.1.8天主教國(guó)家（拉丁語(yǔ)系：意、法、西、葡、拉美）先用新歷基督教國(guó)家（日耳曼語(yǔ)系：英、德、荷、美）

后用新歷東正教國(guó)家（斯拉夫語(yǔ)系：俄、白、烏）

十月革命后才用新歷天主教國(guó)家（拉丁語(yǔ)系：意、法、西、葡、拉美）牛頓集經(jīng)典力學(xué)之大成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（45歲）《光學(xué)》（65歲）牛頓集經(jīng)典力學(xué)之大成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（45歲）牛頓的物理體系絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)空間慣性系相對(duì)性原理力學(xué)三定律萬(wàn)有引力定律牛頓的物理體系絕對(duì)時(shí)間第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中上帝說(shuō)，讓牛頓去吧，于是一切成為光明?！ㄆ兆匀唤绾妥匀唤绲囊?guī)律隱藏在黑暗中光學(xué)牛頓的微粒說(shuō)戰(zhàn)勝惠更斯的波動(dòng)說(shuō)（波動(dòng)說(shuō)：笛卡爾、胡克、惠更斯）1801年，托馬斯·楊的干涉實(shí)驗(yàn)波動(dòng)說(shuō)戰(zhàn)勝微粒說(shuō)光學(xué)牛頓的微粒說(shuō)戰(zhàn)勝惠更斯的波動(dòng)說(shuō)英國(guó)人托馬斯﹒楊（ThomasYoung）是歷史上有名的神童、才子，2歲就能讀書(shū)，4歲時(shí)將《圣經(jīng)》通讀了2遍，他14歲時(shí)已通曉拉丁、希臘、法、意、希伯來(lái)、波斯和阿拉伯等多種語(yǔ)言，還會(huì)演奏多種樂(lè)器。他在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、哲學(xué)、語(yǔ)言、考古等領(lǐng)域都有貢獻(xiàn)。托馬斯﹒楊先當(dāng)醫(yī)生，研究視覺(jué)，發(fā)現(xiàn)了眼睛散光的原因，轉(zhuǎn)而研究光學(xué)，完成了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)識(shí)到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。此后他又破譯了埃及的拉希德石碑上的一些文字，對(duì)考古學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)。法國(guó)人商博良（另一位神童）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步努力，終于完全破譯了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的歷史學(xué)基礎(chǔ)。英國(guó)人托馬斯﹒楊（ThomasYoung）是歷史上波動(dòng)光學(xué)光既是波動(dòng)就應(yīng)有載體亞歷士多德月上世界月下世界波動(dòng)光學(xué)光是以太的彈性振動(dòng)波動(dòng)光學(xué)光既是波動(dòng)就應(yīng)有載體電磁學(xué)光波是電磁波麥克斯韋從介質(zhì)的彈性振動(dòng)導(dǎo)出了電磁學(xué)的基本方程組電磁學(xué)光波是電磁波熱學(xué)熱力學(xué)第一定律（能量守恒）。邁爾，焦耳，亥姆霍茲熱力學(xué)第二定律（卡諾定理）?？ㄖZ，克勞修斯卡諾從熱質(zhì)說(shuō)“導(dǎo)出”了卡諾定理熱力學(xué)第三定律。能斯特?zé)崃W(xué)第零定律熱學(xué)二、愛(ài)因斯坦的豐收年

1900，開(kāi)爾文勛爵：物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來(lái)的物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就行了。但是，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。二、愛(ài)因斯坦的豐收年1900，開(kāi)爾文勛爵：黑體輻射邁克耳孫實(shí)驗(yàn)量子論（1900年）相對(duì)論（1905年）黑體輻射邁克耳孫實(shí)驗(yàn)量子論（1900年）相對(duì)論黑體輻射維恩位移定律：黑體輻射維恩位移定律：量子論的誕生量子論的誕生量子論光子論愛(ài)因斯坦解釋光電效應(yīng)1905量子論光子論1905愛(ài)因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14誕生于德國(guó)烏爾姆中，小學(xué)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，四面碰壁愛(ài)因斯坦生平（Ⅰ）1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作初期科研情況：1901-------1篇論文

1902-------2篇論文

1903-------1篇論文

1904-------1篇論文 （“奧林匹亞科學(xué)院”）1902-1909伯爾尼發(fā)明專利局工作愛(ài)因斯坦的豐收年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)定分子大小的新方法（4月提交）

愛(ài)因斯坦的豐收年5月解釋布朗運(yùn)動(dòng)（7月發(fā)表）6月“論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)”——狹義相對(duì)論（9月發(fā)表）9月（11月發(fā)表）5月解釋布朗運(yùn)動(dòng)（7月發(fā)表）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1933-1955美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究所研究員1955年4月18日逝世愛(ài)因斯坦生平（Ⅱ）兩次婚姻米列娃對(duì)愛(ài)因斯坦的幫助討論、通信、署名兩次婚姻希爾伯特：沒(méi)有比專利局對(duì)愛(ài)因斯坦更適合的工作單位了希爾伯特：

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)那一年的補(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)的教學(xué)：“這個(gè)中學(xué)用它的自由精神和那些不仗外界權(quán)勢(shì)的教師的純樸熱情，培養(yǎng)了我的獨(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)論的土壤”（在阿勞中學(xué)16歲的愛(ài)因斯坦曾經(jīng)思考“追光悖論”）愛(ài)因斯坦對(duì)學(xué)校教育持批評(píng)態(tài)度，一生三、相對(duì)論的建立

光波是“以太”的彈性振動(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)。邁克耳孫實(shí)驗(yàn)（1881，1887）：沒(méi)有測(cè)出這一運(yùn)動(dòng)。三、相對(duì)論的建立光波是“以太”的彈性振動(dòng)。1.光行差現(xiàn)象1.光行差現(xiàn)象第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件2.邁克耳孫實(shí)驗(yàn)2.邁克耳孫實(shí)驗(yàn)c+vc-vc+vc-vv以太運(yùn)動(dòng)方向v以太運(yùn)動(dòng)方向第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件邁克耳孫沒(méi)有觀測(cè)到以太漂移

矛盾第二朵烏云：麥克耳孫實(shí)驗(yàn)光行差現(xiàn)象光行差：以太相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，有漂移，似乎運(yùn)動(dòng)介質(zhì)（地球）不帶動(dòng)以太邁克耳孫實(shí)驗(yàn)：以太相對(duì)地球靜止，無(wú)漂移，似乎運(yùn)動(dòng)介質(zhì)（地球）帶動(dòng)了以太邁克耳孫沒(méi)有觀測(cè)到以太漂移洛倫茲的解釋：以太相對(duì)于絕對(duì)空間靜止。洛倫茲收縮：洛倫茲的解釋：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略變換（速度疊加的平行四邊形法則）3.伽利略變換（任意兩個(gè)慣性系間的相對(duì)變換）x’=x-vt伽利略變換3.伽利略變換（任意兩個(gè)慣性系間的相麥克斯韋理論在伽利略變換下會(huì)變化從伽利略變換推不出洛侖茲收縮伽利略變換矛盾電磁理論

洛侖茲收縮麥克斯韋理論在伽利略變換下會(huì)變化4.洛倫茲變換：相對(duì)于絕對(duì)空間的變換（洛倫茲的解釋）4.洛倫茲變換：相對(duì)于絕對(duì)空間的變換用洛倫茲變換①可推出洛倫茲收縮②麥克斯韋電磁理論不變代價(jià)是放棄了“相對(duì)性原理”用洛倫茲變換①可推出洛倫茲收縮5.愛(ài)因斯坦的探索愛(ài)因斯坦贊同馬赫對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批評(píng)（《力學(xué)史評(píng)》）“相對(duì)性原理”是一條根本性原理，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持從“斐佐實(shí)驗(yàn)”與“光行差現(xiàn)象”的矛盾，愛(ài)因斯坦認(rèn)識(shí)到應(yīng)該放棄以太理論5.愛(ài)因斯坦的探索愛(ài)因斯坦贊同馬赫對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批評(píng)（《從雙星軌道不發(fā)生形變知道光速與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)從雙星軌道不發(fā)生形變知道光速與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)認(rèn)識(shí)到光速的絕對(duì)性，提出“光速不變?cè)怼彪p星軌道不變形麥克斯韋理論中電磁波速（光速）是常數(shù)c 追光悖論

支持光速不變?cè)恚ü馑俚慕^對(duì)性）認(rèn)識(shí)到光速的絕對(duì)性，提出“光速不變?cè)怼彪p星軌道不變形伽利略變換下的速度迭加（平行四邊形法則）上述速度疊加（平行四邊形）法則與光速不變?cè)砻芗促だ宰儞Q與光速不變?cè)砻苜だ宰儞Q下的速度迭加（平行四邊形法則）上述速度疊加（平行四1905年與貝索的討論突然意識(shí)到：時(shí)間不是絕對(duì)的，“同時(shí)”的定義依賴于對(duì)信號(hào)傳播速度的約定（規(guī)定）。1905年與貝索的討論突然意識(shí)到：時(shí)間不是絕對(duì)的，“同時(shí)”的6.愛(ài)因斯坦的新理論相對(duì)性原理光速不變?cè)砺鍌惼澴儞Q（愛(ài)因斯坦的解釋）愛(ài)因斯坦：不存在絕對(duì)空間，一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的洛倫茲變換是任意兩個(gè)慣性系之間的相對(duì)變換

是相對(duì)速度6.愛(ài)因斯坦的新理論洛倫茲變換（愛(ài)因斯坦的解釋）愛(ài)因斯坦：不洛倫茲反對(duì)愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，給愛(ài)因斯坦的理論起了個(gè)名字：相對(duì)論洛倫茲反對(duì)愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，相對(duì)論相對(duì)論認(rèn)為“同時(shí)”是相對(duì)的（早已認(rèn)識(shí)到“同地”是相對(duì)的）動(dòng)鐘變慢：時(shí)間是相對(duì)的動(dòng)尺收縮：

空間是相對(duì)的質(zhì)能關(guān)系：四.狹義相對(duì)論相對(duì)論認(rèn)為四.狹義相對(duì)論兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系洛倫茲變換

（1）洛倫茲變換逆變換

（2）逆變換1.同時(shí)的相對(duì)性1.同時(shí)的相對(duì)性第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件2.動(dòng)鐘變慢對(duì)S系，A是動(dòng)鐘，A靜置于S’系中，從（4）式得2.動(dòng)鐘變慢對(duì)S系，A是動(dòng)鐘，A靜置于S’系中，對(duì)S’系，B是動(dòng)鐘，B靜置于S系中，從（3）式得，

（6）對(duì)S’系，B是動(dòng)鐘，B靜置于S系中，3.動(dòng)尺收縮在慣性系中靜止的，長(zhǎng)度的尺，在系中同時(shí)測(cè)量其兩端（即系中的時(shí)間與分別為測(cè)量尺的前后兩端的時(shí)刻，由于同時(shí)測(cè)尺的兩端，所以），從（1）式推出的

3.動(dòng)尺收縮在慣性系中靜止的，長(zhǎng)度得到長(zhǎng)度（7）得到長(zhǎng)度4.速度迭加

（8）

注意：從上式可知，通過(guò)速度迭加不可能超光速4.速度迭加5.靜質(zhì)量與動(dòng)質(zhì)量

（9）（和m是否都是質(zhì)量？）5.靜質(zhì)量與動(dòng)質(zhì)量（和m是否都是質(zhì)量？）6.質(zhì)能關(guān)系

（10）（11）質(zhì)量與能量是同一事物的兩個(gè)側(cè)面，不是質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化6.質(zhì)能關(guān)系7.經(jīng)典力學(xué)的動(dòng)能

（12）經(jīng)典物理中的動(dòng)能（13）7.經(jīng)典力學(xué)的動(dòng)能8.世界線四維時(shí)空中的世界線（14）8.世界線四維時(shí)空中的世界線9.固有時(shí)（14）式中當(dāng)時(shí)，稱（15）為固有時(shí)，當(dāng)不為0時(shí)

（16）其中9.固有時(shí)（14）式中當(dāng)“固有時(shí)”就是質(zhì)點(diǎn)（觀測(cè)者）世界線的長(zhǎng)度，也就是質(zhì)點(diǎn)（觀測(cè)者）自身經(jīng)歷的時(shí)間“固有時(shí)”就是質(zhì)點(diǎn)（觀測(cè)者）世界線的長(zhǎng)度，也就是質(zhì)點(diǎn)（觀測(cè)者10.雙生子佯謬10.雙生子佯謬第1講從愛(ài)因斯坦到霍金課件雙生子佯謬

（17）（18）雙生子佯謬比鄰星距地球4.3光年，以3g加速到25萬(wàn)公里/秒，然后自由飛行，再以3g減速到比鄰星，然后以同樣方式返回。

火箭上7年，地球上12年比鄰星距地球4.3光年，以3g加速到25萬(wàn)公里/秒，然后自到銀河系中心旅行往返均以2g加速

火箭上40年，地球上6萬(wàn)年到銀河系中心旅行往返均以2g加速是否能得出相反的結(jié)論？（火箭上的人看來(lái)，地球相對(duì)自己加速，是否可以得出地球上的鐘比火箭上的鐘慢的相反結(jié)論？）答案：不行！三維加速度是相對(duì)的，四維加速度是絕對(duì)的。是否能得出相反的結(jié)論？

愛(ài)因斯坦的創(chuàng)新之處：（1）堅(jiān)持相對(duì)性原理（拋棄絕對(duì)空間和以太）（2）認(rèn)識(shí)到光速是絕對(duì)的（3）時(shí)間能量

空間動(dòng)量愛(ài)因斯坦的創(chuàng)新之處：究竟是誰(shuí)創(chuàng)建了相對(duì)論？究竟是誰(shuí)創(chuàng)建了相對(duì)論？1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮（1892）（1889，1893）1902龐加萊（彭加勒）否認(rèn)絕對(duì)空間，絕對(duì)時(shí)間（但仍承認(rèn)有以太）批評(píng)相對(duì)于絕對(duì)空間的動(dòng)尺收縮假設(shè)，認(rèn)為“相對(duì)性原理”適用于電磁理論1892洛倫茲－斐茲杰惹收縮1904洛倫茲部分接受龐加萊批評(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；斐茲杰惹）

給出電子質(zhì)量公式（1904年）