1、愛因斯坦與相對論第1頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 1675 庫侖定律 1820 電流磁效應(yīng)（畢薩定律） 1822 安培作用力定律（電動力學一詞開始使用） 1831 電磁感應(yīng)（法拉第），場的思想 1856-1873 麥克斯韋方程，預言電磁波的存在 1881-1887 邁克爾遜莫雷實驗 1888 赫茲證實電磁波存在 1905 愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論電磁場理論的發(fā)展歷史簡介第2頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 Michael Faraday 電磁感應(yīng)定律 法拉第最初公布他的發(fā)現(xiàn)時，一位貴夫人問： “這有什么用？”他說：“一個新生的嬰兒又 有什么用？

2、 ”第3頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五James Clerk Maxwell 18311879科學成就：電磁場理論和光的電磁理論奠基人，成功預言了電磁波的存在，1873出版專著電磁學通論；他建立了實驗驗證的嚴格理論，并重復卡文迪許的實驗，他還發(fā)明了麥克斯韋電橋；運用數(shù)學統(tǒng)計的方法導出了分子運動的麥克斯韋速度分布律；創(chuàng)立了定量色度學；負責建立起來的卡文迪許實驗室 。48歲去世。法拉第專于實驗探索，麥克斯韋擅長理論概括 第4頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五愛因斯坦簡介20世紀最杰出的科學家 1879-1955 愛因斯坦1879年生于德國烏爾姆。17

3、歲進蘇黎世工業(yè)大學師范系物理學專業(yè)，1900年畢業(yè)。1902年進伯爾尼瑞士專利局工作。1905年發(fā)表五篇劃時代的論文，在物理學三個領(lǐng)域中取得歷史性成就，特別是狹義相對論的建立推動了物理學理論的革命。同年取得蘇黎世工業(yè)大學博士學位。1916年創(chuàng)立廣義相對論。一生發(fā)表論文200多篇，專著幾十部。1925年因成功解釋光電效應(yīng)獲得諾貝爾物理學獎。第5頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五School class photograph in Munich, 1889. Einstein is in the front row, second from right. 第6頁，共46頁，2

4、022年，5月20日，2點54分，星期五第7頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五改變物理學面貌的五篇論文分子大小的新測定, 博士學位論文，1905.04.分子熱運動所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動, 1905.05.論動體的電動力學, 1905.06.物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？, 1905.09.關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點, 1905.03.1905年愛因斯坦的學術(shù)成就-第8頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第9頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第10頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五經(jīng)典時空

5、基本概念 時間絕對性 空間絕對性 時空分離性 力學相對性原理在一切相對作勻速運動的慣性系中，牛頓力學定律具有相同形式；一切慣性系都是等價的，不存在特殊的慣性系。不能在一個慣性參照系內(nèi)做實驗確定該參照系相對另一慣性系的速度。 經(jīng)典時空觀說明時間間隔和空間間隔與運動無關(guān)，且二者之間沒有聯(lián)系。第11頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 牛頓定律不變性 經(jīng)典時空觀的數(shù)學表述-伽利略變換 伽利略速度變換式經(jīng)典時空的局限性主要在于：1）認為光速在不同的慣性系中是一個可變量且與光源的運動速度有關(guān)：2）在伽利略變換下麥克斯韋電磁場方程不滿足相對性原理。OZXYOZYvP(x,y,z)X第1

6、2頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五擊前瞬間擊后瞬間先出球，后擊球 -先后顛倒舉一例：光速與光源運動速度相關(guān)出現(xiàn)的矛盾光傳到乙的時間：光傳到乙的時間：伽利略變換下麥氏方程等可變性的三種看法 麥克斯韋方程不正確 伽利略變換不適合高速運動 電磁運動不服從相對性原理 伽利略變換 相對性原理 麥克斯韋方程第13頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 邁克耳遜 莫雷實驗 假定相對性原理不成立，麥克斯韋方程的形式僅在以太中成立。因此在地球上可以設(shè)計實驗來驗證地球相對“以太”的速度。反過來可以通過實驗尋找“以太”靜止的絕對參考系。 假定在“以太”中光速各項同性且恒等于

7、C，而在其它參考系 光速各項異性。地球系以太風 假定太陽與以太固連，地球相對于以太的速度就應(yīng)當繞太陽的運動速度。第14頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五邁克耳遜莫雷實驗的零結(jié)果，說明了“以太”本身不存在。該實驗被認為是狹義相對論的主要實驗支柱之一。1881年邁克耳遜第一次實驗，預期1887年邁克耳遜和莫雷改進實驗，預期實驗結(jié)果邁克耳遜干涉儀精度可觀測到0.01個條紋的移動。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學儀器獲得諾貝爾物理學獎第15頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五恒星光行差現(xiàn)象：理論計算：對太陽光的實驗觀測： 拖曳理論 地球不是絕對參照系。但由于以

8、太很輕，地球在以太中運動可以拖動以太一起運動。但這種說法與光行差現(xiàn)象矛盾。對實驗結(jié)果的幾種解釋 第16頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 靜止光源光速為C，運動光源光速改變，且各向同性。這樣在地球上用靜止光源做實驗，條紋當然不移動。麥氏方程在地球上精確成立，但在以太中形式不同。仍認為以太存在，這樣陽光在地球上不為C。 發(fā)射理論地球12 收縮假定（1892年洛侖茲斐茲杰惹）假定認為沿相對以太運動方向上物體長度收縮為在此基礎(chǔ)上建立了一套慣性系間的變換關(guān)系，可證明麥克斯韋方程在此變換下不變。第17頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 真空中光速相對任何慣性系

9、沿任何一個方向大小恒為c，且與光源運動速度無關(guān)。一切物理定律在所有的慣性系中都具有相同形式；一切慣性系都等價，不存在特殊的絕對的慣性系。1、相對性原理2、光速不變原理狹義相對論的基本原理 核心問題機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 3、時空間隔（間隔）第18頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五例：光速不變將導致同時的相對性 觀測到A與B同時收到光信號！觀測到A先收到B后收到光信號！ABCCABCC機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 第19頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五4、洛倫茲變換坐標變換公式OZXYOZYvP(x,y,z)X速度變換公式第20頁，

10、共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五關(guān)于洛倫茲變換的分析與討論（1）當 洛倫茲變換簡化為伽利略變換式（2）光速是各種物體運動的一個極限速度 虛數(shù)（洛倫茲變換失去意義）(3) 不排除超光速現(xiàn)象0.6c0.8cxy（B）分離速度（A）視速度第21頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五（1）尺度收縮效應(yīng)相對論理論：固有長度（又稱原長）結(jié)論:運動尺子長度沿運動方向收縮。5、相對論著名效應(yīng)經(jīng)典理論：第22頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五（2）時鐘延緩效應(yīng)固有時（原時） 經(jīng)典力學絕對時間概念只不過是狹義相對論的時間概念在低速情況下的近似，若 愛因斯

11、坦延緩: 運動參考系中的時間節(jié)奏變緩了。在其中，一切物理、化學過程、乃至觀測者自己的生命節(jié)奏都變緩。第23頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 例:子是1936年由安德森（ C. D. Anderson ） 等人在宇宙線 中發(fā)現(xiàn)的。 它可自發(fā)的衰變?yōu)橐粋€電子和兩個中微子。 自發(fā)衰 變的平均壽命子。 地球上層大氣中時，會形成豐富的,當高能宇宙射線質(zhì)子進入 在離地面 高空產(chǎn)生的設(shè)來自太空的宇宙線子，可否在衰變前到達地面？ 已知子相對于地球的運動速率為在該時間內(nèi)粒子運動的距離 時間延緩法S 動，S 靜 長度縮短法S 靜，S 動粒子壽命內(nèi)，S 系運動距離而 S 系測量宇宙線離地面在

12、衰變前，粒子可與地球相遇。第24頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 孿生子效應(yīng)（孿生子佯謬）簡介明明亮亮亮亮亮亮明明究竟誰年輕 ？1）一般情況，因具有加速度，超出了狹義相對論的理論范圍。相對于慣性系轉(zhuǎn)速越大的鐘走得越慢與孿生子效應(yīng)一致。2）1971年的銫原子鐘實驗。比靜止在地面上的鐘慢59 納秒。第25頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五思考題2： 一個人扛一個固有長度為L的梯子，以相對地面速度v沖進一個固有長度為L的廠房。當梯子末端剛進廠房時，梯子的前端將處在什么位置？思考題1：兩個相距L 的點光源，正好可用一長度為L的擋板將它擋住。現(xiàn)使擋板以速度v

13、運動。試問擋板能否同時擋住這兩個點光源？ AB第26頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五 光波的經(jīng)典多普勒效應(yīng)（3）相對論多普勒效應(yīng)光源靠近觀察者光源遠離觀察者光源垂直觀察者設(shè)光源的固有頻率 ，運動頻率第27頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五光源靠近觀察者光源遠離觀察者 光源垂直于觀察者運動： 這稱為橫向多普勒效應(yīng)，已被實驗證實，是狹義相對論正確性的有力證據(jù)之一。紅移 光波的相對論多普勒效應(yīng)利用四維時空方法得到該效應(yīng)第28頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五狹義相對論的其它內(nèi)容建立了四維時空理論；理論上證明了恒星光行差現(xiàn)象；證明了麥

14、克斯韋方程在洛倫茲變換下的協(xié)變性；通過引入運動質(zhì)量，證明物體E=mc2 ，在低速時Em0c2 m0v2 /2，并指出能量守恒、動量守恒定律在相對論情況仍適用；一般情況經(jīng)典力學是狹義相對論當v0時的極限；在相對論情況下的三維空間中，力學規(guī)律與經(jīng)典形式上完全一致。第29頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五狹義相對論的偉大意義指出了經(jīng)典時空存在的缺陷，建立了新的時空理論，揭示了： 時間與空間的統(tǒng)一， 電場與磁場的統(tǒng)一， 物質(zhì)與能量的統(tǒng)一。第30頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五1915年以后。愛因斯坦提出等效原理和廣義協(xié)變性原理，創(chuàng)立廣義相對論這一革命性的引

15、力理論，認為引力是物質(zhì)使時空彎曲的表現(xiàn)。并預言了引力波的存在。牛頓認為時空屬性與其中的物質(zhì)無關(guān)。萬有引力的傳遞是超距的，不需要時間。到底是在平直時空中物質(zhì)僅僅使光線變彎，還是光在被物質(zhì)彎曲了的時空中傳播，天文觀測可以裁決孰是孰非。廣義相對論簡介第31頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五六大疑難：對稱性破缺、夸克禁閉、粒子自旋、暗物質(zhì) 與暗能量、類星體和引力場的量子化。一百年來的科技發(fā)展：一臺電腦：計算機信息處理與人工智能；兩大支柱：相對論和量子論三個模型：標準宇宙模型、標準粒子模型和雙螺旋模型； 四項工程：曼哈頓工程、阿波羅工程、克隆工程和人類基 因組工程；五種技術(shù)：微電子

16、技術(shù)（半導體和超導技術(shù)）、核能技術(shù)、 激光技術(shù)、納米技術(shù)和航天技術(shù)；第32頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五與愛因斯坦研究成果直接相關(guān)而獲諾貝爾獎的科學家1923 單元電荷和光電效應(yīng)實驗研究R. A. Millikan1926 實驗證明布朗運動J.B. Perrin1927 康普頓效應(yīng)A.H. Compton1929 de Broglie波Louis de Broglie1951 E=mc2Sir J.D. Cockcroft & E.T.S. Walton1964 受激輻射C.H. Townes, N.G. Basov, A.M. Prochorov1993 引力波R.

17、A. Hulse, J.H. Taylor2001 BoseEinstein凝聚E.A. Cornell, W. Ketterle, C.E. Wieman第33頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五世界物理年 (The World Year of Physics) 這個概念，緣起歐洲物理協(xié)會于 2000 年 12 月在柏林召開的第 3 屆國際物理科學會議。2002 年 10 月在國際純粹及應(yīng)用物理聯(lián)盟 (IUPAP) 第24次大會全體一致通過推動 2005 年為世界物理年這一提案。同時也獲得聯(lián)合國教科文組織第32次大會的支持。2004年6月10日第58屆聯(lián)合國大會通過了20

18、05年為“國際物理年”的決議。后又改回世界物理年。聯(lián)合國世界物理年第34頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五巴黎會議：以“明天的物理”為主題，就“21世紀物理與社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)”、“公眾對物理與科學的理解”進行了與公眾互動的公開討論，8名諾貝爾獎獲得者做了精彩報告或發(fā)言。中國物理學會前理事長、國家自然科學基金委前主任陳佳洱先生應(yīng)邀擔任大會國際顧問委員會和國際指導委員會委員，并應(yīng)邀在圓桌會議上代表中國物理學2005年1月13-15日，巴黎UNESCO會和國家自然科學基金委做了題為“物理學是文化的一部分的發(fā)言。第35頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第36頁，

19、共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五石家莊二中的活動現(xiàn)場第37頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第38頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第39頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五第40頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54分，星期五尋找第二個愛因斯坦與錢學森之問 愛因斯坦對世界的影響到底如何？英國廣播公司曾經(jīng)做過一個“千年思想家”評選，他們分別是：馬克思、愛因斯坦、牛頓和達爾文 。 相對論并非沒有缺陷，它與現(xiàn)代物理學的另一基石量子論的不一致至今沒有解決， 。這些問題的解決，可能需要另一個偉大的頭腦。“尋找第二個愛因斯坦與超越愛因斯坦”，正是“世界物理年”的最大主題。人們堅信一定會有一顆年輕的、與愛因斯坦同樣智慧的心等待被發(fā)掘。 但是，為什么多年來沒有出現(xiàn)新的“愛因斯坦”呢？ 這讓我們想起了錢學森之問:中國（國內(nèi)出生國內(nèi)成長）為什么沒有人獲得諾貝爾科學獎？是教育問題? 還是其它什么問題？第41頁，共46頁，2022年，5月20日，2點54