物理学史--相对论的建立与发展.ppt

相对论的建立和发展 历史背景 狭义相对论的建立 广义相对论的建立 相对论的发展 四、相对论的进展 黑洞 信息疑难 2004年7月21日,霍金 “我输了” 奇性疑难 彭若斯与霍金的奇性定理: 时间一定有开始和结束 暗物质与暗能量 物质 亮星 暗物质 暗能量 重子 热暗物质(中微子) 冷暗物质 起源于λ 动力学暗能量 广义相对论在宇观尺度失效 0.5% 4% 0.3% 29% 65% r (视界） r=0奇点 t r 洞外 时间 空间 洞内 空间 时间 霍金 (S.W.Hawking) 索恩 (Kip.Throne) 普瑞斯基 (John Preskill ) * 物理1101 第3组 相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。 一. 历史背景 1.1 “以太漂移”的探索 以太观念的提出可以追溯到古希腊时代，亚里士多德认为天体间一定充满着某种媒质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。他认为“虚空”是不存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质??以太。 在光的微粒说占上风的年代，以太理论曾受到压制。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。波动说的支持者把以太看成无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质”。 但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在。以太漂移实验给出了否定结果。这些结果促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。 1.2 收缩假说的提出 迈克耳逊-默雷实验的零结果发表后，爱尔兰物理学家费兹杰惹立即进行了思考。1889年，他向英国《科学》杂志投稿，写到：“唯一可能协调这中对立的假说就是要假设物体的长度回发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。” 然而，由于《科学》杂志不久就停刊了，这篇稿件虽然发表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这篇稿件是否问世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛伦兹更早就提出了收缩假说。 1892年，荷兰物理学家洛伦兹在《论地球对以太的相对运动》中独立地提出了收缩假说，并给出了严格的定量关系。 二. 狭义相对论的建立 爱因斯坦（公元1879～1955年）出生于德国，有犹太血统，是20世纪最伟大的物理学家。爱因斯坦从小就是一个奇怪的孩子。他酷爱音乐，6岁时学习小提琴，14岁时已能登台演出。但上学时，教师说他智力迟钝，除数学外，历史、地理和语言成绩都很差，以致遭退学处分。他的教育主要靠家庭和自学。 2.1 爱因斯坦生平 早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。 不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他曾回忆说：“这是引导我走向狭义相对论的第一步。” 后来，爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，对洛仑兹方程发生了兴趣。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。 2.2 爱因斯坦建立狭义相对论的过程 经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。 “是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个睛朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。” 不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。