科学前沿与哲学相对论

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1、第4讲爱因斯坦与物理学革命审天地之美，穷万物之理一.两朵乌云二.狭义相对论三.弯曲的时空——广义相对论四.相对论的进展五.爱因斯坦的成就与影响一.两朵乌云1900，开尔文勋爵：物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。但是，明朗的天空还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。第一朵乌云：黑体辐射量子论第二朵乌云：迈克尔逊实验相对论19001905“黑体辐射”“绝对黑体”（黑体）是在任何温度下都能全都吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。根据经典物理学，可以得到：辐射的能量与频率的平方成正比。所以，当辐射频率极高时，能量必然趋

2、于无穷大，即在紫色端发散。对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果，被称为“紫外灾难”。迈克尔逊：地球就像一艘没有摩擦力的船穿过海水一样穿过“以太”。C:游泳者的速度；V:水流速；L:距离游泳者往返一次所需时间：如果将游泳者换成光，地球的公转速度可以算出，v/c=1/10000.因此在地球上验证地球穿越以太的实验，其精度起码达到一亿分之一！但是，迈克耳逊与莫雷在1881-1887年的实验中没有发现以太风，于是：要么以太随着地球一起运动（斯托克斯1846年的以太拖曳，基于1818年菲涅尔发现的光速在流水中的变化），而这就无法解释布拉德雷1728年发现的光行差现象（利用

3、以太风理解恒星光的偏移）；要么根本没有以太这种东西。迈克耳逊他们如实地报道了实验结果，但迈克耳逊没有意识到他们所做的实验给出的结果具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基。迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。运动光源实验◆观察双星中每颗星的半周期，如果光速与光源速度有关，则二颗星的半周期不同。“数学物理当前的危机”物理学的新发现已经推翻了物理学过去建立起来的基本原理：放射性和镭的永恒发热的发现，推翻了能量守恒定律；电子电磁质量随速度而变化的发现

4、，推翻了质量守恒定律，“以太漂移”实验的否定结果，推翻了伽利略相对性原理；电磁作用以有限速度传播，使电荷体之间的相互作用违反了牛顿第三定律。—彭加勒《科学的价值》爱因斯坦生平（Ⅰ）1879.3.14诞生于德国乌尔姆中，小学时代德国慕尼黑1895-1896瑞士阿劳中学一年1896-1900苏黎士工业大学学习1900-1902艰辛求职，四面碰壁1902-1909伯尔尼发明专利局工作初期科研情况：1901-------1篇论文1902-------2篇论文1903-------1篇论文1904-------1篇论文希尔伯特：没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了空闲、宽容E

5、=mc2狭义相对论博士论文获诺贝尔奖之作导致Perrin获诺贝尔奖1905爱因斯坦生平（Ⅱ）1909-1914进入大学工作（苏黎士，布拉格等地）1914-1933柏林大学教授，德国物理研究所所长、院士1915提出广义相对论（36岁）1933-1955德国法西斯上台，爱因斯坦到美国普林斯顿大学高级研究所任研究员1955年4月18日逝世二.狭义相对论SpecialRelativity光是电磁波，是以太的波动理论上的困难麦克斯韦电磁理论作为相对性原理表达式的伽利略变换光速对不同参考系应不同，不应是同一个C值光速C是一个常数实验上的困难(1728,1810)地球相对于以太运动吗

6、？光行差现象：地球相对以太有运动1887:迈克尔逊—莫雷实验迈克尔逊莫雷物理学家化学家“零结果”！洛伦兹的解释：以太相对于绝对空间静止。洛伦兹收缩：x’=x-vty’=yz’=zt’=t伽利略变换（速度叠加的平行四边形法则）洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换爱因斯坦的新理论相对性原理光速不变原理洛伦兹变换不存在绝对空间，一切运动都是相对的洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换V是相对速度爱因斯坦：洛伦兹反对爱因斯坦的观点，给爱因斯坦的理论起了个名字：相对论相对论认为“同时”是相对的动尺收缩：空间是相对的动钟变慢：时间是相对的质能关系：说明同时具有相对性，时间的量度是相对的。

7、和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的。同时的相对性B2l0ABA2lv闵可夫斯基时空引入闵可夫斯基四维时空的新表述，将时间处理为与三个空间坐标垂直的第四维，四维时空间隔定义为ds2=c2dt2–dx2–dy2–dz2,这是在各惯性系中不变的量；还出现了其他与四维时空间隔有关的相对论不变量，空间与时间，动量与能量，电场与磁场等形成了有机的统一体，并且推导出物体总能量E与质量m的关系式E=mc2。在彭加勒和爱因斯坦看来，闵氏时空的结构不是先验的，而是与光速