相对论诞生讲稿.ppt

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1、关于相对论诞生第一页，讲稿共六十一页哦本节教学目的和要求本节教学目的和要求1.了解相对论产生的科学背景；了解相对论产生的科学背景；了解相对论产生的科学背景；了解相对论产生的科学背景；2.2.了解爱因斯坦的主要科学贡献与思想方法；了解爱因斯坦的主要科学贡献与思想方法；3.3.掌握狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要掌握狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要结论；结论；4.4.深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。第二页，讲稿共六十一页哦一、相对论产生的科学背景一、相对论产生的科

2、学背景1.“1.“以太风以太风”测定的零结果测定的零结果 17世纪到世纪到1919世纪末，科学家们为了寻找一种力学模世纪末，科学家们为了寻找一种力学模世纪末，科学家们为了寻找一种力学模世纪末，科学家们为了寻找一种力学模型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了大部分光学现象

3、。大部分光学现象。大部分光学现象。大部分光学现象。某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验的证实。的证实。的证实。的证实。第三页，讲稿共六十一页哦寻找以太寻找以太1.1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。峰。2.以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。3.1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一年麦克

4、斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太封信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的运动速度的一个方案。的运动速度的一个方案。第四页，讲稿共六十一页哦迈克耳逊迈克耳逊迈克耳逊（迈克耳逊（AAMichelson，1852-1931）看到公开发表的麦克）看到公开发表的麦克斯韦的信之后，尝试去斯韦的信之后，尝试去做这个实验。做这个实验。迈克耳逊先单独做了迈克耳逊先单独做了一个实验来测量地球一个实验来测量地球穿过以太的效应，穿过以太的效应，1881年他发表结果说年他发表结果说没有发现地球相对于以没有发现地球相对于以太的可以检测的运动。太的可以检测的运动。第五页，讲稿共六

5、十一页哦零结果几年后他又与一名几年后他又与一名化学教授莫雷化学教授莫雷（1838-1923）合作，）合作，以更高的精度重复了以更高的精度重复了这个实验，这个实验，1887年他年他们公布实验结果，仍们公布实验结果，仍然没有发现地球相对然没有发现地球相对于以太的运动。于以太的运动。第六页，讲稿共六十一页哦实验的思想基础实验的思想基础在以太这个参考在以太这个参考系中光速是均匀系中光速是均匀的，所以通过测的，所以通过测量不同方向上光量不同方向上光的视速度，比较的视速度，比较它们的差异，就它们的差异，就可以确定地球相可以确定地球相对于以太的速度。对于以太的速度。第七页，讲稿共六十一页哦光程差光程差1.假

6、设实验室坐标系存在沿假设实验室坐标系存在沿C到到A速度为速度为v的以太的以太风，那么相对实验室的光速，从风，那么相对实验室的光速，从A到到C为为c-v，从，从C到到A为为c+v，2.在在AB和和BA方向光速为方向光速为(c2-v2)1/2。3.如如果果AB=AC=L，那那么么光光在在AB、AC间间往往返返所所需需的时间分别为：的时间分别为：4.t1=2L/(c(1-v2/c2)1/2)和和t2=t1/(1-v2/c2)1/25.两两者者之之差差t，忽忽略略高高阶阶小小项项后后，为为Lv2/c3。相相应应的光程差为的光程差为Lv2/c2。第八页，讲稿共六十一页哦条纹移动数条纹移动数0.370.3

7、71.实验仪器转动实验仪器转动实验仪器转动实验仪器转动9090度，使得以太风从度，使得以太风从度，使得以太风从度，使得以太风从A A到到B B，于是光程差，于是光程差为为-lv2/c2-lv2/c2，转动前后的总变化为，转动前后的总变化为，转动前后的总变化为，转动前后的总变化为2lv2/c22lv2/c2。2.2.设设设设 为实验所用光的波长，那么光程差的改变相应于为实验所用光的波长，那么光程差的改变相应于条纹移动数条纹移动数n为为为为2lv2/(c2)。3.迈克耳逊迈克耳逊迈克耳逊迈克耳逊-莫雷的实验长度为莫雷的实验长度为莫雷的实验长度为莫雷的实验长度为1111米，波长等于米，波长等于米，波

8、长等于米，波长等于5.910-75.910-7米。米。米。米。以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒3030公里，公里，公里，公里，那么那么那么那么n n约等于约等于约等于约等于0.37。4.0.37个条纹的移动在当时已经足够被观测到了。个条纹的移动在当时已经足够被观测到了。第九页，讲稿共六十一页哦无法观察到预期结果无法观察到预期结果1.为了保证精确，迈克耳逊和莫雷把实验仪器浮在为了保证精确，迈克耳逊和莫雷把实验仪器浮在水银上面，当仪器缓慢转动时连续读数。他们发水银上面，当仪器缓慢

9、转动时连续读数。他们发现最大的位移不超过现最大的位移不超过1%个条纹。个条纹。2.实验无法观察到预期的实验无法观察到预期的0.37个条纹的移动。个条纹的移动。3.他们还在一天的不同时间和相隔六个月后重复他们还在一天的不同时间和相隔六个月后重复做这个实验，均未发现任何条纹移动。做这个实验，均未发现任何条纹移动。第十页，讲稿共六十一页哦第十一页，讲稿共六十一页哦对零结果的可能解释对零结果的可能解释1.以太随着地球一起运动，但这将使以太变以太随着地球一起运动，但这将使以太变得毫无意义。或者，得毫无意义。或者，2.地球相当于以太静止，但这几乎是要倒退地球相当于以太静止，但这几乎是要倒退到中世纪以前的地

10、心宇宙说。或者，到中世纪以前的地心宇宙说。或者，3.根本没有以太这种东西，但是光的波动说根本没有以太这种东西，但是光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。基础之上的。第十二页，讲稿共六十一页哦“大失败大失败”1.迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。预期结果的大失败。2.但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视但是正是这个实

11、验提醒人们必须重新审查被视为为“神圣神圣”的经典物理学的根基。的经典物理学的根基。3.迈克耳逊为此而获得迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。他也是获得此奖的第一位美国人。第十三页，讲稿共六十一页哦洛仑兹的理论洛仑兹的理论迈克耳逊迈克耳逊迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西，学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西，学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西，学家们，他

12、们无法相信根本不存在以太这种东西，为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不同的假设来解释迈克耳逊同的假设来解释迈克耳逊同的假设来解释迈克耳逊同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验的零结果。莫雷实验的零结果。莫雷实验的零结果。莫雷实验的零结果。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。第十四页，讲稿共六十一页哦兹杰拉德兹杰拉德1.1892年爱尔兰物理学

13、家菲兹杰拉德（年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-19011851-1901）对迈）对迈）对迈）对迈克耳逊克耳逊克耳逊克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生一定比例的收缩，既一定比例的收缩，既一定比例的收缩，既一定比例的收缩，既(1-v2/c2)1/2(1-v2/c2

14、)1/2的比例收缩（的比例收缩（v v为物体为物体为物体为物体与以太的相对速度，与以太的相对速度，与以太的相对速度，与以太的相对速度，c为光速）。收缩的量随物体运动速率为光速）。收缩的量随物体运动速率为光速）。收缩的量随物体运动速率为光速）。收缩的量随物体运动速率的增加而增加。的增加而增加。的增加而增加。的增加而增加。2.2.按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差短一些，其缩短的长度正好补偿了光

15、所经过的路程的差短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在内，都要以同样的方式相应地收缩。内，都要以同样的方式相应地收缩。内，都要以同样的方式相应地收缩。内，都要以同样的方式相应地收缩。第十五页，讲稿共六十一页哦荷兰物理学家洛伦兹（荷兰物理学家洛伦兹（荷兰物理学家洛伦兹（荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Hendrik Antoon L

16、orentz 1853-1928Lorentz 1853-1928）在）在）在）在19041904年发表的年发表的以小于光速的任何速度运动着的体系以小于光速的任何速度运动着的体系以小于光速的任何速度运动着的体系以小于光速的任何速度运动着的体系中的电磁现象中的电磁现象中的电磁现象中的电磁现象中把长度收缩归结为一中把长度收缩归结为一中把长度收缩归结为一中把长度收缩归结为一种特殊的动力学过程：种特殊的动力学过程：种特殊的动力学过程：种特殊的动力学过程：相对于以太运动的物体在运动方向上发相对于以太运动的物体在运动方向上发相对于以太运动的物体在运动方向上发相对于以太运动的物体在运动方向上发生收缩；相对于

17、以太静止的物体长度不生收缩；相对于以太静止的物体长度不生收缩；相对于以太静止的物体长度不生收缩；相对于以太静止的物体长度不会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。这就是绝对收缩理论，是以太理论面临这就是绝对收缩理论，是以太理论面临这就是绝对收缩理论，是以太理论面临这就是绝对收缩理论，是以太理论面临严重威胁时为了维护旧传统运动观念而严重威胁时为了维护旧传统运动观念而严重威胁时为了维护旧传统运动观念而严重威胁时为了维护旧传统运动观念而作出的最后一次尝试。作出的最后一次尝试。作出的最后一次尝试。作出的最后

18、一次尝试。2.洛仑兹的理论洛仑兹的理论第十六页，讲稿共六十一页哦3.3.彭伽勒的思想彭伽勒的思想 1895 1895年，法国彭伽勒对用年，法国彭伽勒对用年，法国彭伽勒对用年，法国彭伽勒对用“长度收缩长度收缩长度收缩长度收缩”假说来解释假说来解释假说来解释假说来解释麦克尔逊实验进行批评；促使洛仑兹麦克尔逊实验进行批评；促使洛仑兹麦克尔逊实验进行批评；促使洛仑兹麦克尔逊实验进行批评；促使洛仑兹19041904提出提出提出提出“电电电电子论方程子论方程子论方程子论方程”，彭伽勒，彭伽勒，彭伽勒，彭伽勒19041904年提出相对性原理这一名称，年提出相对性原理这一名称，年提出相对性原理这一名称，年提出

19、相对性原理这一名称，认为无论对固定的观察者还是对作匀速运动的观察者，认为无论对固定的观察者还是对作匀速运动的观察者，认为无论对固定的观察者还是对作匀速运动的观察者，认为无论对固定的观察者还是对作匀速运动的观察者，物理定律师是相同的。彭伽勒弥补了洛仑兹公式形式上物理定律师是相同的。彭伽勒弥补了洛仑兹公式形式上物理定律师是相同的。彭伽勒弥补了洛仑兹公式形式上物理定律师是相同的。彭伽勒弥补了洛仑兹公式形式上的缺陷，第一次提出了的缺陷，第一次提出了的缺陷，第一次提出了的缺陷，第一次提出了“洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换”的名称，为相对的名称，为相对的名称，为相对的名称，为相对论的发展奠定了良

20、好的数学基础。论的发展奠定了良好的数学基础。论的发展奠定了良好的数学基础。论的发展奠定了良好的数学基础。彭伽勒于彭伽勒于18981898年猜测到光速不变且各向同性，这与爱年猜测到光速不变且各向同性，这与爱年猜测到光速不变且各向同性，这与爱年猜测到光速不变且各向同性，这与爱因斯坦对同时性的定义相当接近，但彭伽勒未考虑到因斯坦对同时性的定义相当接近，但彭伽勒未考虑到因斯坦对同时性的定义相当接近，但彭伽勒未考虑到因斯坦对同时性的定义相当接近，但彭伽勒未考虑到同时性的相对性问题，没有对时间的绝对性问题提出同时性的相对性问题，没有对时间的绝对性问题提出同时性的相对性问题，没有对时间的绝对性问题提出同时性

21、的相对性问题，没有对时间的绝对性问题提出异议。异议。异议。异议。第十七页，讲稿共六十一页哦二、爱因斯坦生平及主要贡献二、爱因斯坦生平及主要贡献爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein 1879-1955）出生于德国乌尔姆的一个犹）出生于德国乌尔姆的一个犹）出生于德国乌尔姆的一个犹）出生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭，幼年迁居慕尼黑。爱因太人家庭，幼年迁居慕尼黑。爱因太人家庭，幼年迁居慕尼黑。爱因太人家庭，幼年迁居慕尼黑。爱因斯坦到了瑞士，进了一所大学。斯坦到了瑞士，进了一所大学。斯坦到了瑞士，进了一所大学。斯坦到了瑞士，进了一所大学。在学校他不能算一位好学生，一般在

22、学校他不能算一位好学生，一般在学校他不能算一位好学生，一般在学校他不能算一位好学生，一般课都缺席，只专心阅读理论物理学课都缺席，只专心阅读理论物理学课都缺席，只专心阅读理论物理学课都缺席，只专心阅读理论物理学前沿的书。前沿的书。前沿的书。前沿的书。他能各门课都及格是得益于一个朋他能各门课都及格是得益于一个朋友极好的课堂笔记。友极好的课堂笔记。第十八页，讲稿共六十一页哦专利局小职员专利局小职员大学毕业后的工作不好找，大学毕业后的工作不好找，大学毕业后的工作不好找，大学毕业后的工作不好找，还是在借他笔记的朋友的父还是在借他笔记的朋友的父还是在借他笔记的朋友的父还是在借他笔记的朋友的父亲的帮助下，在

23、亲的帮助下，在亲的帮助下，在亲的帮助下，在1901年进了年进了年进了年进了瑞士伯尔尼专利局，谋得一瑞士伯尔尼专利局，谋得一瑞士伯尔尼专利局，谋得一瑞士伯尔尼专利局，谋得一个低级职员的职位。个低级职员的职位。个低级职员的职位。个低级职员的职位。这一年他入了瑞士籍。这一年他入了瑞士籍。这一年他入了瑞士籍。这一年他入了瑞士籍。在专利局他也不是一个安心在专利局他也不是一个安心本职的职员，满脑子想的是本职的职员，满脑子想的是当时理论物理学最前沿的问当时理论物理学最前沿的问题。他的问题还不需要实验题。他的问题还不需要实验室，只要铅笔、纸张和头脑。室，只要铅笔、纸张和头脑。第十九页，讲稿共六十一页哦主要科学

24、贡献主要科学贡献1905年被称作爱因斯坦的年被称作爱因斯坦的年被称作爱因斯坦的年被称作爱因斯坦的“奇迹年奇迹年奇迹年奇迹年”，这一年爱因斯坦，这一年爱因斯坦，这一年爱因斯坦，这一年爱因斯坦在在在在德国物理学年鉴德国物理学年鉴上发表了上发表了上发表了上发表了4 4篇论文，包括物理学篇论文，包括物理学篇论文，包括物理学篇论文，包括物理学方面三项重要的发展，方面三项重要的发展，方面三项重要的发展，方面三项重要的发展，1.一个关于光的产生和转化的启发性观点一个关于光的产生和转化的启发性观点2.关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动粒子的运动3.论

25、动体的电动力学论动体的电动力学论动体的电动力学论动体的电动力学4.物体的惯性是否与它所含的能量有关？物体的惯性是否与它所含的能量有关？物体的惯性是否与它所含的能量有关？物体的惯性是否与它所含的能量有关？这一年他还完成了博士论文这一年他还完成了博士论文这一年他还完成了博士论文这一年他还完成了博士论文“分子大小的新测定方法分子大小的新测定方法分子大小的新测定方法分子大小的新测定方法”，获得博士学位。，获得博士学位。，获得博士学位。，获得博士学位。第二十页，讲稿共六十一页哦主要科学贡献主要科学贡献1.1.在第一篇文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出在第一篇文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出在第一篇

26、文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出在第一篇文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出的量子论，首次提出光量子的概念。的量子论，首次提出光量子的概念。的量子论，首次提出光量子的概念。的量子论，首次提出光量子的概念。2.19212.1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为他在光电效应方面的杰出贡献。他在光电效应方面的杰出贡献。他在光电效应方面的杰出贡献。他在光电效应方面的杰出贡献。3.3.在两个月后的第二篇论文中，爱因斯坦给出了布在两个月后的第二篇论文中，爱因斯坦给出了布朗运

27、动的数学分析。朗运动的数学分析。4.4.根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。第二十一页，讲稿

28、共六十一页哦论动体的电动力学论动体的电动力学1.1.这一年对以后世界影响最大的一篇论文是这一年对以后世界影响最大的一篇论文是这一年对以后世界影响最大的一篇论文是这一年对以后世界影响最大的一篇论文是论动体的论动体的论动体的论动体的电动力学电动力学电动力学电动力学，这篇后来被称为狭义相对论的论文，这篇后来被称为狭义相对论的论文，这篇后来被称为狭义相对论的论文，这篇后来被称为狭义相对论的论文，突破了牛顿的绝对时空观，把时间、空间和运动联突破了牛顿的绝对时空观，把时间、空间和运动联突破了牛顿的绝对时空观，把时间、空间和运动联突破了牛顿的绝对时空观，把时间、空间和运动联系起来，建立了物理世界四维时空统一

29、的理论；系起来，建立了物理世界四维时空统一的理论；系起来，建立了物理世界四维时空统一的理论；系起来，建立了物理世界四维时空统一的理论；2.1916年建立广义相对论，把时间、空间和物质统一起年建立广义相对论，把时间、空间和物质统一起年建立广义相对论，把时间、空间和物质统一起年建立广义相对论，把时间、空间和物质统一起来；来；来；来；3.19163.1916年提出受激辐射理论；年提出受激辐射理论；年提出受激辐射理论；年提出受激辐射理论；4.4.他晚年致力于引力场和电磁场统一起来的研究。他晚年致力于引力场和电磁场统一起来的研究。他晚年致力于引力场和电磁场统一起来的研究。他晚年致力于引力场和电磁场统一起

30、来的研究。第二十二页，讲稿共六十一页哦 爱因斯坦大事年表爱因斯坦大事年表 阿尔伯特阿尔伯特阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（爱因斯坦（1879195518791955）18791879年年年年3月月月月1414日生于德国乌尔姆市日生于德国乌尔姆市日生于德国乌尔姆市日生于德国乌尔姆市 18961896年年 1900 1900年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理 1902 19091902 1909年在伯尔尼任瑞士专利局技术员年在伯尔尼任瑞士专利局技术员年在伯尔尼任瑞士专利局技术

31、员年在伯尔尼任瑞士专利局技术员 19091909年年19121912年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理论物理年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理论物理年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理论物理年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理论物理学教授学教授学教授学教授 1914193319141933年任柏林威廉大帝研究所所长、普鲁士科学院年任柏林威廉大帝研究所所长、普鲁士科学院年任柏林威廉大帝研究所所长、普鲁士科学院年任柏林威廉大帝研究所所长、普鲁士科学院院士兼柏林大学教授院士兼柏林大学教授院士兼柏林大学教授院士兼柏林大学教授 19331945年任美国普林斯顿高等学术研究院教授年任美国普林斯顿高等学术研究院

32、教授年任美国普林斯顿高等学术研究院教授年任美国普林斯顿高等学术研究院教授 1945年退休，年退休，年退休，年退休，19551955年病逝。年病逝。第二十三页，讲稿共六十一页哦三、狭义相对论三、狭义相对论 1.1.狭义相对论的创立狭义相对论的创立 爱因斯坦在爱因斯坦在爱因斯坦在爱因斯坦在论动体的电动力学论动体的电动力学论动体的电动力学论动体的电动力学中指出：中指出：中指出：中指出：“企图证实地球相对于企图证实地球相对于光媒质光媒质运动的实验的运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这概念，失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象不仅在力学中，而且

33、在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。了的。第二十四页，讲稿共六十一页哦把猜想提升为公设把猜想提升为公设 我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在虚空空间里总是以一确定的速度传播着，光在虚空空间里总是以一确定的速度传播着，这速度与发射体的运

34、动状态无关。由这两条这速度与发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。光以太光以太的引用将被证明是多余的。的引用将被证明是多余的。第二十五页，讲稿共六十一页哦狭义相对论的两条基本原理狭义相对论的两条基本原理以上这一段话提出了狭义相对论的两条基本原以上这一段话提出了狭义相对论的两条基本原理：理：相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中是等相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中是等价的；价的；光速不变性原理：光在真空中的传播速度为一常光速不变性原理：光在真空中的

35、传播速度为一常数数c，与光源和观测者的运动状态无关。，与光源和观测者的运动状态无关。抛弃了被认为是充满空间的以太和绝对的时空抛弃了被认为是充满空间的以太和绝对的时空观。观。第二十六页，讲稿共六十一页哦洛伦兹变换洛伦兹变换设设惯惯性性系系K相相对对惯惯性性系系K的的运运动动速速度度为为v（沿沿x轴轴），c为为真真空空中中的的光光速速。则则两两个个系系统统之间的长度和时间的洛伦兹变换公式为：之间的长度和时间的洛伦兹变换公式为：(1)x=(x+vt)/(1-v2/c2)1/2(2)y=y(3)z=z(4)t=(t+(v/c2)x)/(1-v2/c2)1/2第二十七页，讲稿共六十一页哦A爱因斯坦从相对

36、性的基本原理和洛爱因斯坦从相对性的基本原理和洛仑兹变换得出了狭义相对论的一系仑兹变换得出了狭义相对论的一系列结论：列结论：1.同时性的相对性同时性的相对性2.2.时钟变慢时钟变慢3.3.长度收缩长度收缩长度收缩长度收缩4.4.物体的质量随速度变换物体的质量随速度变换物体的质量随速度变换物体的质量随速度变换5.5.质能相关质能相关6.6.能量、动量的统一能量、动量的统一能量、动量的统一能量、动量的统一第二十八页，讲稿共六十一页哦时间的相对性时间的相对性（同时的相对性）：（同时的相对性）：考虑永久放在考虑永久放在考虑永久放在考虑永久放在K的原点上的一个按秒报时的时钟。的原点上的一个按秒报时的时钟。

37、的原点上的一个按秒报时的时钟。的原点上的一个按秒报时的时钟。t=0t=0和和和和t=1t=1对应于该钟接连两声滴答。对应于该钟接连两声滴答。洛伦兹变换的第一、第四方程给出洛伦兹变换的第一、第四方程给出洛伦兹变换的第一、第四方程给出洛伦兹变换的第一、第四方程给出t=0和和t=1/(1-v2/c2)1/2t=1/(1-v2/c2)1/2。就是说从就是说从就是说从就是说从K来判断来判断来判断来判断KK的的的的1 1秒，实际上比秒，实际上比秒，实际上比秒，实际上比1 1秒要长，因而该秒要长，因而该秒要长，因而该秒要长，因而该时钟走得慢了（钟慢效应）。时钟走得慢了（钟慢效应）。时钟走得慢了（钟慢效应）。

38、时钟走得慢了（钟慢效应）。这就是运动系的时间膨胀。这就是运动系的时间膨胀。这就是运动系的时间膨胀。这就是运动系的时间膨胀。显然当显然当显然当显然当v=cv=c时，时间停止了，但这是不可能的。这就是时，时间停止了，但这是不可能的。这就是时，时间停止了，但这是不可能的。这就是时，时间停止了，但这是不可能的。这就是一般被称为的一般被称为的一般被称为的一般被称为的“时钟悖论时钟悖论”。第二十九页，讲稿共六十一页哦“双生子悖论双生子悖论”“时钟悖论时钟悖论时钟悖论时钟悖论”后来转换更富戏剧色彩的后来转换更富戏剧色彩的后来转换更富戏剧色彩的后来转换更富戏剧色彩的“双生子悖论双生子悖论双生子悖论双生子悖论”

39、，由法国物理学家朗之万提出。由法国物理学家朗之万提出。由法国物理学家朗之万提出。由法国物理学家朗之万提出。朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。如果双胞胎兄弟中的一个留在地球，另一个去作星际如果双胞胎兄弟中的一个留在地球，另一个去作星际旅行，飞船速度足够大，直线飞向一颗恒星再飞回地旅行

40、，飞船速度足够大，直线飞向一颗恒星再飞回地球，最后旅行者发现在他出门的两年时间里，地球已球，最后旅行者发现在他出门的两年时间里，地球已经度过了两个世纪。经度过了两个世纪。哲学家伯格森说，他正是听了朗之万哲学家伯格森说，他正是听了朗之万哲学家伯格森说，他正是听了朗之万哲学家伯格森说，他正是听了朗之万19111911年年年年4 4月关于相对月关于相对月关于相对月关于相对论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。第三十页，讲稿共六十一页哦长度的相对性长度的相对性（运动的长度缩短）（运

41、动的长度缩短）沿沿沿沿KK的的的的xx轴放置一根米尺，令其一端与点轴放置一根米尺，令其一端与点轴放置一根米尺，令其一端与点轴放置一根米尺，令其一端与点x=0 x=0重合，重合，重合，重合，另一端与点另一端与点另一端与点另一端与点x=1重合。重合。重合。重合。问米尺相对于问米尺相对于KK系的长度为何？系的长度为何？系的长度为何？系的长度为何？由洛伦兹变换易知，在由洛伦兹变换易知，在t=0t=0时两点间的距离在时两点间的距离在时两点间的距离在时两点间的距离在KK系系系系中是中是中是中是(1-v2/c2)1/2(1-v2/c2)1/2，就是说以速度，就是说以速度，就是说以速度，就是说以速度v v运动

42、着的米尺的长运动着的米尺的长运动着的米尺的长运动着的米尺的长度是度是度是度是(1-v2/c2)1/2(1-v2/c2)1/2米。（尺缩效应）米。（尺缩效应）米。（尺缩效应）米。（尺缩效应）可见，当可见，当可见，当可见，当v=cv=c时米尺的长度为零；时米尺的长度为零；时米尺的长度为零；时米尺的长度为零；v c v c 时，平方根时，平方根时，平方根时，平方根是虚数。是虚数。是虚数。是虚数。因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到也不能超过光速。也不能超过光速。也不能超

43、过光速。也不能超过光速。第三十一页，讲稿共六十一页哦狭义相对论中质能关系狭义相对论中质能关系（质能相关）（质能相关）狭义相对论能量狭义相对论能量E=（m02c4+P2c2)1/2，动，动量量P很小时，很小时，Em0c2+P2/（2m0）。这样低）。这样低速粒子的相对论能量为经典力学的动能加上速粒子的相对论能量为经典力学的动能加上常数项常数项m0c2。如果粒子静止，则动量。如果粒子静止，则动量P等于等于0，则，则E=m0c2第三十二页，讲稿共六十一页哦质量是能量的一种存在形式质量是能量的一种存在形式E=m0c2把质量守恒与能量守恒联系了起来，质把质量守恒与能量守恒联系了起来，质量也可以看作是能量

44、的一种存在形式。量也可以看作是能量的一种存在形式。也正是这个公式在理论上预言了使得原子弹也正是这个公式在理论上预言了使得原子弹的可能性。的可能性。1克煤全部燃烧大约产生克煤全部燃烧大约产生7000卡热量，卡热量，如果把一克煤的全部原子彻底崩裂，根据质能如果把一克煤的全部原子彻底崩裂，根据质能关系式，大约会产生关系式，大约会产生21013卡热量，是燃烧产卡热量，是燃烧产能的能的30亿倍。亿倍。第三十三页，讲稿共六十一页哦M狭义相对论时狭义相对论时空观图解空观图解同时的相对性同时的相对性 长长长长度度度度收收收收缩缩缩缩 时时时时间间间间膨膨膨膨胀胀胀胀 第三十四页，讲稿共六十一页哦闵科夫斯基对狭

45、义相对论的重构闵科夫斯基对狭义相对论的重构闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱因斯坦数学。因斯坦数学。因斯坦数学。因斯坦数学。闵科夫斯基发表论文，引进四闵科夫斯基发表论文，引进四闵科夫斯基发表论文，引进四闵科夫斯基发表论文，引进四维时空的概念，取代了孤立的维时空的概念，取代了孤立的维时空的概念，取代了孤立的维时空的概念，取代了孤立的三维空间加一维时间的不相容三维空间加一维时间的不相容三维空间加一维时间的不相容三维空间加一维时间的不相容概念，概念，概念，概念，还把相对论转化为现代张量形还把相对论转化为现代张量形式，在相对

46、论中引进专用术语，式，在相对论中引进专用术语，并明确指出：以相对论观点看，并明确指出：以相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够传统的牛顿引力理论已经不够用了。用了。第三十五页，讲稿共六十一页哦“多余的技巧多余的技巧”？一开始爱因斯坦没有理解闵科夫斯基工作的意义，一开始爱因斯坦没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论改写成张量形式是甚至认为把他的理论改写成张量形式是“多余的多余的技巧技巧”。但到了但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来了，年，爱因斯坦终于转变过来了，1916年他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大简年他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡

47、。化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。后来爱因斯坦强调说，如果没有闵科夫斯基，广后来爱因斯坦强调说，如果没有闵科夫斯基，广义相对论也许还在襁褓中。义相对论也许还在襁褓中。第三十六页，讲稿共六十一页哦2.2.时空观的变革时空观的变革其一，创立了相对论的时空观其一，创立了相对论的时空观在牛顿的绝对时空观中，整个宇宙都有一个统在牛顿的绝对时空观中，整个宇宙都有一个统一的时间。一的时间。但狭义相对论否定了绝对时空，也就否定了绝但狭义相对论否定了绝对时空，也就否定了绝对同时的观念。对同时的观念。在狭义相对论中，同一个惯性系有统一的时间，在狭义相对论中，同一个惯性系有统一的时间，可以确定两个事件的同时性，

48、但在不同的惯性可以确定两个事件的同时性，但在不同的惯性系中没有统一的同时性。系中没有统一的同时性。第三十七页，讲稿共六十一页哦2.2.时空观的变革时空观的变革其二，论证了物质运动同时间、空间的相互联系、其二，论证了物质运动同时间、空间的相互联系、相互转化的辩证关系。相互转化的辩证关系。1.时间和空间是统一的、客观的时间和空间是统一的、客观的2.物质运动状况决定了时空的状况，因而时间与物质运动状况决定了时空的状况，因而时间与空间是可变的空间是可变的3.时间和空间互相依赖，在一定条件下相互时间和空间互相依赖，在一定条件下相互转化转化 狭义相对论的时空观并不是对牛顿时空观的狭义相对论的时空观并不是对

49、牛顿时空观的绝对否定，当物体的速度绝对否定，当物体的速度vc时，洛仑时，洛仑兹变换回到伽利略变换。兹变换回到伽利略变换。第三十八页，讲稿共六十一页哦3.3.狭义相对论的局限性狭义相对论的局限性1.狭义相对论未能解决经典力学的一个古老难狭义相对论未能解决经典力学的一个古老难题：为什么惯性系在物理上比其它坐标系题：为什么惯性系在物理上比其它坐标系都特殊、都优越？这一局限促使爱因斯坦都特殊、都优越？这一局限促使爱因斯坦作出扩大狭义相对论原理的物理内容的选作出扩大狭义相对论原理的物理内容的选择。择。2.狭义相对论与引力现象存在着矛盾，这一狭义相对论与引力现象存在着矛盾，这一矛盾推动爱因斯坦为把引力现象

50、纳入相对矛盾推动爱因斯坦为把引力现象纳入相对论而建立更广泛、更普遍的物理理论。论而建立更广泛、更普遍的物理理论。第三十九页，讲稿共六十一页哦四、广义相对论及其验证四、广义相对论及其验证 爱因斯坦从爱因斯坦从1907年着手建立广义相对论，到年着手建立广义相对论，到1913年发表年发表广义相对论和引力理论纲要广义相对论和引力理论纲要一文，进而于一文，进而于1916年发表年发表广义相对论的基广义相对论的基础础，标志着广义相对论的最终建立。，标志着广义相对论的最终建立。1.广义相对论两条基本原理的提出广义相对论两条基本原理的提出2.引力场的度规理论和引力场方程的建立引力场的度规理论和引力场方程的建立