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1、,The important thing is not to stop questioning.Curiosity has its own reason for existing.One cannot help but be in awe when one contemplates the mysteries of eternity.Never lose a holy curiosity.Albert Einstein,第 12 讲,相对论的世界The World of Relativities,第12讲 相对论的世界,狭义相对论,广义相对论,相对论前史,爱因斯坦Albert Einstein
2、,1879年3月14日生于德国乌尔姆Ulm,1896年考入瑞士联邦工业大学,1900年进入伯尔尼专利局,1905年发表5篇论文,母亲Pauline,父亲Hermann,1889年，慕尼黑,在伯尔尼Bern专利局的办公室,1909年获得苏黎世大学物理副教授,1921年获得诺贝尔物理学奖,1907年申请联邦工业大学讲师失败,1913年任柏林大学教授,We had a wonderful time in those days in Bern in our cheerful Academy,which was less childish than those respectable ones whic
3、h I later got to know only too well.,在犹太人团体的聚会上,1933年就任普林斯顿高等研究院,1955年4月18日逝于普林斯顿,1940年加入美国国籍,1903年与第一任妻子Mileva结婚,第二任妻子 Elsa和女儿,“在四位近代物理学创立者的基础上我得以建立自己的理论”,伽利略,牛顿,麦克斯韦,洛伦兹,相对论前史,Galileo 变换 迈克逊-莫雷试验 洛伦兹变换,惯性定律,一个物体，假如没有外力改变它的状态，便会永远保持静止的状态或匀速直线运动的状态。,若要放弃惯性定律，必须同时放弃所有的力学定律。,惯性系:力学定律在其中有效的坐标系。,伽利略变换,光
4、线的速度=c+v,乐观的世纪末,开尔文（英国）Lord William Thomson Kelvin,18241907,普朗克（德国）Max Plank,18581947,麦克斯韦（英国）James Clerk Maxwell 1831-1879,光速=电磁波的传播速度 基本常数,1879年，探测以太的方法 让光线分别在平行和垂直与地球运动的方向等距离地往返传播,验证以太,假设太阳相对于以太是静止的，地球的速度为v,与轨道速度方向垂直的光速:c,与光线垂直的方向测出的光速:cv,迈克逊（美国）Albert A.Michelson18521931,迈克逊干涉仪Michelson interfer
5、ometer,Wilson 山上的小屋,地球带动着环绕它的以太旋转，以至于总是相对于它是静止的。,光的速度与光源的运动无关。不能认定运动的物体带动周围的以太。从根本上放弃牛顿的思想。,菲兹杰拉德(爱尔兰)George Francis FitzGerald18511901,1889年 Science,洛伦兹（荷兰）Hendrik Lorentz 1853-1928,1892年，再度提出收缩假说。,1894年，致信菲兹杰拉德,1895年，以更精确的形式发表收缩假说,1904年，发表洛伦兹变换,洛伦兹变换,狭义相对论,四个思想试验 质能公式,一九零五年：论动体的电动力学,狭义相对论的两条原理,在所有
6、的相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的速度都是相同的。,2.在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中，自然定律都是相同的。,爱因斯坦的思想试验 Gedankenexperiments,原理2涉及所有惯性系的观测者的等价性，已为庞伽莱独立获得。,原理1 完全是爱因斯坦规定的。如果它是对的，就可以解释迈克逊与莫雷试验的无结果现象。,1.同时性Simultaneity,A与B谁先发出的光脉冲？,牛顿力学,观测者O:当光线从A、B传播过来时，速度c改变了，正好补偿了所预期的时间延迟。,A光速=c+v,B光速=cv,A、B同时发出了光脉冲。,相对论,观测者X:A、B同时发出了光脉冲。,观测者O:A一定
7、比B稍早一点发射光脉冲。,A光速=c,B光速=c,2.与坐标系运动方向相垂直的运动的物体长度没有变化 Nothing Happens To Lengths Transverse To A Boost,3.时间膨胀Time Dilation,镜子钟表A,镜子钟表B,光线往返一次的时间=,两个钟表按速度v运动,光线在两个镜子中往返一周的时间为：,4.洛伦兹收缩 Lorentz Contraction,观测者O:杆子的长度,爱因斯坦与洛伦兹的区别,在1905年之前的所有有关论文中，从来没有提到相对性原则,颠倒了洛伦兹的逻辑，将相对性作为一个原则，而不是一个问题,光速对于所有观测者来说都是不变的是作为
8、一个原则,光速的不变性仅仅是表面的，是他的理论的一个推论,洛伦兹变换,在运动坐标系中的时间膨胀是一个数学技巧,时间间隔的测量在所有统一的运动参照系中都是一样合法的,长度收缩是用分子间的力可以说明的一种真实的效应,这仅仅是观测到的一种现象,1907年,质能公式,静质量:m0 惯性质量:m,光子等速度为c的物质的静质量为0,牛顿力学：动能,如果物体得到能量E0，则其惯性质量将增加,惯性质量不是一个常数,物质的惯性质量可以表示它的能量,经典物理学的两种物质，即质与能 第一种有重力，第二种没有重力,能一直被认为是没有重力的，因为它的质量太小 把万吨水变为蒸汽的热量称起来只有克重,狭义相对论的两个祭品1
9、.以太 2.质能关系,能量守恒=质量守恒,能量守恒+质量守恒=质能守恒,相对论:质量与能没有重要的区别 能具有质量，质量代表着能量,修正主要影响高速运动状态下的定律,日常所见物体，经典力学的定律仍然有效,经典力学需要根据狭义相对论进行修正,爱因斯坦与齐拉德Leo Szilard(1898-1964),1930年代，科学家已经可以分裂原子核，爱因斯坦的质能公式 E=mc得到验证。,铀核的裂变刚刚被发现。铀可以被用来制造能量巨大的毁灭性炸弹。,1939年8月与1940年3月，爱因斯坦与齐拉德致信美国总统罗斯福。,广义相对论,狭义相对论,相对论前史,引力场的思想试验 广义相对论的验证,孪生子悖论 P
10、aradox of Twins,朗之万（法国）1911年4月 波隆那哲学家大会,狭义相对论:物理学定律仅仅对于惯性系有效,广义相对论:物理学定律对一切相对作任意运动的坐标系都有效,引力质量与惯性质量,思想试验：升降机,引力场:从一个坐标系过渡到另一个坐标系的“桥梁”。,桥梁的礅柱:引力质量=惯性质量,外面的观察者:存在引力场,升降机在引力场中加速运动,里面的观察者:升降机是静止的，引力场不存在的,水星近日点的进动,1859年勒威耶发现水星近日点进动的观测值比牛顿理论每世纪快38,观测值 每世纪43”.11,相对论 每世纪43”.03,广义相对论预言：从太阳表面发出的谱线与地球上同样原子的谱线相比，波长较长（引力红移）。,引力红移,1913年爱因斯坦致函美国天文学家G.E.Hale，敦促天文学家观测星光的引力效应。但是，由于第一次世界大战，没有得到相应。,1919年5月29日日食,爱丁顿（英国）Arthur Stanley Eddington18821944,1919年西非:普林西比岛南美:索布腊尔,The End,
