第五講相對論

第五講相對論第一節(jié)19、20世紀(jì)之交的物理學(xué)第二節(jié)愛因斯坦及其狹義相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論19二月20241教學(xué)要求1、了解相對論的基本概念和基本結(jié)論(重點(diǎn))2、理解愛因斯坦的科學(xué)思想和人文精神19二月20242第五講相對論第一節(jié)19、20世紀(jì)之交的物理學(xué)第二節(jié)愛因斯坦及其狹義相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論19二月20243第一節(jié)19、20世紀(jì)之交的物理學(xué)19世紀(jì)末，物理學(xué)成就概括為：

1、物質(zhì)由80多種元素的原子組成，原子是不可再分的最小微粒。

2、無論地球、天體，物質(zhì)大小，他們的運(yùn)動都遵從牛頓力學(xué)定律.3、熱是大量分子混亂機(jī)械運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，利用動力學(xué)規(guī)律和統(tǒng)計規(guī)律可解釋固、液、汽等物質(zhì)體系的規(guī)律（熱學(xué)）。

4、麥克斯韋方程組(電磁)。

5、牛頓的無限宇宙圖景19二月20244第五講相對論第一節(jié)19、20世紀(jì)之交的物理學(xué)第二節(jié)愛因斯坦及其狹義相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論19二月20245第二節(jié)愛因斯坦及其相對論一、兩朵烏云（邁克爾孫、莫雷實(shí)驗－以太之謎；黑體輻射實(shí)驗－紫外災(zāi)難）

1、第一朵烏云－“以太之謎”宇宙全景圖以太宇宙物質(zhì)運(yùn)動參考系？19二月20246第二節(jié)愛因斯坦及其相對論一、兩朵烏云

1、第一朵烏云－“以太之謎”光傳遞兩種觀點(diǎn)：超距作用？媒遞作用？以太身肩三職：引力、電磁力、光傳播以太，你在那里？邁克爾遜--莫雷實(shí)驗：不同慣性參考系對光測量的影響來判定以太的存在。邁克爾孫19二月202472、第二朵烏云：“紫外災(zāi)難”（黑體輻射）瑞利－金斯線維恩線普朗克線ρλε=hv

紫紅T1T2λ1λ2波爾茲曼提出“能均分定理”視頻：黑體、黑體輻射與溫度關(guān)系19二月20248二、狹義相對論的創(chuàng)立1、愛因斯坦對哲學(xué)感性趣；2、休謨、馬赫、彭家勒的懷疑與批判主義；3、斯賓若莎物質(zhì)統(tǒng)一性；4、加利略密閉船艙實(shí)驗（力學(xué)相對性原理）；5、以太“零結(jié)果”----相對性原理；光速不變原理。19二月20249伽利略相對性原理:

力學(xué)定律在一切慣性參考系中具有相同的形式，任何力學(xué)實(shí)驗都不能區(qū)分靜止和勻速運(yùn)動的慣性參考系，這就是伽利略相對性原理。該原理最早由伽利略提出，是經(jīng)典力學(xué)的基本原理。狹義相對性原理物理定律在任何慣性參考系中具有相同的形式，這就是狹義相對性原理。愛因斯坦把伽利略相對性原理從力學(xué)領(lǐng)域推廣到包括電磁學(xué)在內(nèi)整個物理領(lǐng)域，指出任何力學(xué)和電磁學(xué)實(shí)驗都不能區(qū)分靜止和勻速運(yùn)動的慣性參考系。該原理是狹義相對論的基本原理。廣義相對性原理物理定律在一切參考系中都具有相同的形式，這就是廣義相對性原理。狹義相對性原理雖然把伽利略相對性原理推廣到了整個物理領(lǐng)域，但并不能包括非慣性參考系。愛因斯坦利用等效原理，把相對性原理推廣到一切參考系。19二月202410邁克爾遜--莫雷實(shí)驗19二月202411邁克爾遜--莫雷實(shí)驗vT1=l/(c-v)+l/(c+v)=2l/c(1-v2/c2)T2=2l/c19二月202412邁克爾遜--莫雷實(shí)驗：零結(jié)果！兩難選擇：地球不動與哥白尼日心說相悖！接受零結(jié)果不同慣性系測量光速相同,與牛頓、伽利略速度合成相悖！洛倫茲說：我若早死10年，就不會如此痛苦！石破天驚，愛因斯坦說：“以太”是多余的！19二月202413愛因斯坦第二假設(shè)－－光速不變?yōu)榱苏f明愛因斯坦第二假設(shè)的合理性，讓我們來看一下下面這副火車上的圖畫。火車以每秒100，000，000米/秒的速度運(yùn)行，Dave站在車上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒“發(fā)射”光子。光子相對于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運(yùn)行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對于Nolan運(yùn)動。因此我們得出光子相對于Nolan的速度為400,000,000米/秒。問題出現(xiàn)了：這與愛因斯坦的第二假設(shè)不符！愛因斯坦說光相對于Nolan參照系的速度必需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那么我們的“常識感覺”和愛因斯坦的假設(shè)那一個錯了呢？19二月202414許多科學(xué)家的試驗（結(jié)果）支持了愛因斯坦的假設(shè)，因此我們也假定愛因斯坦是對的，并幫大家找出常識相對論的錯誤之處。將速度相加的決定來得十分簡單。一秒鐘后，光子已移動到Dave前3×108米處，而Dave已經(jīng)移動到Nolan前1×108米處。其間的距離不是4×108米只有兩種可能：

1、相對于Dave的3×108米距離對于Nolan來說并非也是3×108米

2、對Dave而言的一秒鐘和對Nolan而言的一秒鐘不同19二月202415三、狹義相對論的結(jié)論1、運(yùn)動中的時鐘要變慢2、運(yùn)動中的尺子要縮短3、光速是物體運(yùn)動的極限速度4、同時的相對性19二月202416“小矮人”推論19二月202417三、狹義相對論的結(jié)論1、運(yùn)動中的時鐘要變慢2、運(yùn)動中的尺子要縮短3、光速是物體運(yùn)動的極限速度4、同時的相對性19二月202418同時的相對性(flash)AB同時不同時狹義相對論時空關(guān)系

19二月202419狹義相對論時空關(guān)系ss′v若：u′＝c,則u=c光速不變相對論的質(zhì)速關(guān)系19二月202420例如U’=0.8c,v=0.8c,19二月202421相對論的質(zhì)速關(guān)系對于接近光速的物體其運(yùn)動規(guī)律符合相對論力學(xué)，不符合牛頓力學(xué)光速為物體運(yùn)動的極限速度相對論的質(zhì)能關(guān)系19二月202422相對論的質(zhì)能關(guān)系E=mc2物體的慣性質(zhì)量與能量的關(guān)系E靜=m0c2物體的靜能（原子能），相對論使人們進(jìn)入原子能時代。19二月202423第五講相對論第一節(jié)19、20世紀(jì)之交的物理學(xué)第二節(jié)愛因斯坦及其狹義相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論19二月202424第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量三等效原理廣義相對性原理2005年紀(jì)念愛因斯坦活動19二月202425第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律

精確性：計算人造衛(wèi)星、宇宙飛船的理論；

問題：萬有引力的本質(zhì)？19二月202426第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量事實(shí)：地球表面的物體受到的重力等于受到的引力，一個物體的慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量。

F=m慣a=G=m引g

感悟：在引力場中一切物體都具有相同的加速度,這條定律也可表示為慣性質(zhì)量（維持原狀態(tài)能力）與引力質(zhì)量相等。他當(dāng)時就使我認(rèn)識到它的全部重要性。我為他的存在感到極為驚訝，并猜想其中必定有一把可以更深入的了解慣性與引力的鑰匙。19二月202427第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量等效原理問題：狹義相對論取消了絕對空間的優(yōu)越地位，既然運(yùn)動要用速度和加速度來描寫，速度是相對的，加速度為何是絕對的呢？等效原理：在處于均勻的恒定引力場影響下的慣性系中，所發(fā)生的一切物理現(xiàn)象，可以和一個不受引力影響，但以恒定加速度運(yùn)動的非慣性系內(nèi)的物理現(xiàn)象完全相同。這種引力與慣性的等效性，稱為等效原理?；虮硎鰹椋河靡粋€非慣性系k,與用內(nèi)部存在一均勻引力場的慣性系∑來描述的物理過程的規(guī)律，是完全等效的19二月202428第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量等效原理推理：引力可歸結(jié)為由加速系統(tǒng)體現(xiàn)出來的時空幾何特征（時間、空間距離的測量，時空的彎曲性質(zhì)等），不同的加速系統(tǒng)就有不同的時空幾何特征，代表了不同的引力場。廣義相對論實(shí)際上是一種引力理論。

引力的本質(zhì)：引力就是時空彎曲，在廣義相對論中，引力本身已不存在。19二月202429第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量等效原理四、廣義相對性原理：一切物理規(guī)律在任意參考系中（慣性系－靜止、勻速；非慣性系－加速；重力場）的表達(dá)均有相同的形式，即任意參考系都是平等的（狹義相對論局限在慣性系中）。19二月2024301、牛頓引力理論計算的結(jié)果比廣義相對論小一半!太空中勻速運(yùn)動參考系中光的傳播太空中加速上升參考系中光的傳播伽利略相對性原理狹義相對論相對性原理19二月202431廣義相對論實(shí)際上是一種引力理論。

引力的本質(zhì)：引力就是時空彎曲，在廣義相對論中，引力本身已不存在。按照引力方法計算

太陽表面的空間彎曲程度（近似）0.1m3000,000m19二月2024322、廣義相對論的實(shí)驗檢驗--引力頻移從引力較強(qiáng)的星體發(fā)出的光射到地球上時，頻率變低，波長變長。大質(zhì)量恒星附近空間較彎曲地球附近空間較平坦19二月202433水星近日點(diǎn)的剩余進(jìn)動約每百年差43”牛頓能解釋1032’27’’實(shí)際是1033’20’’,2、廣義相對論的實(shí)驗檢驗

--行星進(jìn)動19二月202434星太陽月

2、廣義相對論的實(shí)驗檢驗—光線傳播路徑發(fā)生彎曲拍攝位置19二月202435第五講相對論第三節(jié)從萬有引力到廣義相對論萬有引力定律引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量三等效原理廣義相對性原理

2005年紀(jì)念愛因斯坦活動19二月202436第五講相對論五2005年紀(jì)念愛因斯坦活動相對論的評價：愛因斯坦的研究工作常常從最平凡,最簡單的事實(shí)出發(fā)（參考系之間的關(guān)系）,而取得最深刻的結(jié)果,狹義相對論和廣義相對論都具有這一特點(diǎn)!19二月202437艾伯特·愛因斯坦（1879—1955），美籍德國物理學(xué)家。1879年3月14日誕生在德國烏爾姆的一個猶太人家中。1894年舉家遷居意大利米蘭。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)。1901年入瑞士國籍。1902年6月至1909年10月，在瑞士專利局任技術(shù)員。1909年10月，任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授。1911年3月，在布拉格任德意志大學(xué)理論物理學(xué)教授。1912年10月，任蘇黎世工業(yè)大學(xué)理論物理學(xué)教授。1914年4月，在柏林任德國威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學(xué)教授。1933年，因受納粹迫害，移居美國。1940年入美國國籍。1955年4月18日逝世。愛因斯坦簡介19二月20243819二月202439愛因斯坦和他的第一任妻子

米列娃·馬里奇19二月202440巨星—愛因斯坦(AlbertEinstein)1879年3月14日出生于德國慕尼