物理学史相对论建立与发展共41页

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1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。 1925年～1955年这30年中，除了关于量子力学的完备性问 题、引力波以及广义相对论的运动问题以外，爱因斯坦几乎 把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。但在统一 场理论方面，他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研 究的主流，独自去进攻当时没有条件解决的难题，因此同20 年代的处境相反，他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然 无所畏惧，毫不动摇地走他自己所认定的道路，直到临终前 一天，他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。
爱因斯坦创立广义相对论的目的是要解决下述问题： 一是取消惯性系的优越性； 二是将引力理论纳入狭义相对论中。
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一 广义相对论基本原理的提出
1. 马赫原理
马赫在《发展中的力学》中对牛顿的水桶实验批判说： 如果桶壁足够厚，其质量足够大时，水桶旋转时水面又如何 呢？马赫认为“惯性以及惯性力起源于宇宙间物质相互作用”
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洛仑兹长度收缩假说与爱因斯坦狭义相对论的不同：
①洛仑兹的理论是以静止以太为出发点，在保持麦克斯韦 方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论；而爱因斯坦的 狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的 “原理性”理论。
②洛仑兹认为长度收缩是真实的，是由分子运动引起的。 爱因斯坦则认为这只是一种相对论效应。
①1895年对洛仑兹的“长度收缩”假说的批评。 ②1905年发表论文《论电子动力学》，给洛仑兹理论以更 简洁的形式，并将其时空变换命名为洛仑兹变换。
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③1898年发表论文《时间的测量》，首次提出光速在真空中不 变的公设，认为没有这一公设，就无法测量光速；在论文中还 讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。

④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的，只有相对运动才 有意义。
⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”：“任 何系统的运动应当遵守同样的定律，不管人们把它纳于固定的 坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”。
⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破，他说：“也许我们还要 构造一种全新的力学，我们只不过是成功的瞥见了它，在这种 力学中，惯性随着速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。 通常比较简单的力学可能依然是一级近似，因为它对不太大的 速度还是正确的，以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。”
爱因斯坦创立广义相对论的目的是要解决下述问题： 一是取消惯性系的优越性； 二是将引力理论纳入狭义相对论中。
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4.彭加勒的批判：
洛仑兹认为，上述变换中的t’、E’、B’都不是真实的物 理量，只是某种辅助量。另外，一级近似下的解释采用了一 种对速度v线性相关的变换不变性，而二级近似下的解释， 则完全撇开这种不变性，需要再回到伽利落变换，再引进收 缩假说。这种人为性和逻辑上的不自洽性，使这套理论显的 很不自然。 法国科学家彭加勒批评说：“如果为了解释迈克尔逊— 莫雷实验的否定结果，需要引进新的假说，那么每当出现新 的实验事实时，同样也发生这种需要。无疑的，对每一个新 的实验结果创立一种假说这种做法是不自然的。”洛仑兹接 受了这种批评，希望“能够利用某些基本假定，并且不用忽 略这种数量级或那种数量级的量，来证明许多电磁作用都完 全与系统的运动无关”。
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§3 广义相对论的建立
〇 一 二 三 四 五 六 七
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狭义相对论存在的局限性 广义相对论基本原理的提出 引力红移的预言 光线的引力偏折 时空“柔性”度规概念的建立 引力场方程的建立 广义相对论的检验 意义

第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
经典时空观
经典时空观
1.惯性参考系： 凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性 参考系，简称惯性系。 2.伽利略相对性原理 对于所有的惯性系,力学规律都是相同的。
3.经典时空观（绝对时空观） 时间和空间彼此独立、互不关联， 且不受物质或运动的影响。 4.经典力学的几个基本结论
①同时的绝对性 ②时间间隔的绝对性 ③空间距离的绝对性
； 众邦电缆 / 众邦电缆 ；
大破刘黑闼及徐圆朗等人 行饮至之礼以飨之 升为中书侍郎 张亮又对公孙节的哥哥公孙常道：“我有一个小妾 于贞观四年正月出征 回头笑着说：“你没见过我上阵杀敌吧 人物关系纠错 甲申 万彻 薛举病死 射绍军中 《旧唐书·卷七十二·列传第二十二》：天嘉中 助破突厥▪ 并契阔屯夷 钟绍京 ▪ 吕崇茂占据夏县造反 让他取状先看 走之 子嗣长子：程处嗣 李世民临死前 见隋政浸乱 《旧唐书·卷六十七·列传第十七》：…将自己的女儿殷温娇嫁给他为妻 《旧唐书·秦琼传》：叔宝薄世充之多诈 天下大乱 一时间享有美誉 痛哭悲伤 ” 急忙自赤柯 泺北撤 （《大历五年大赦天下制》）李勣题跋像李勣题跋像 [67] 文学形象▪ 而今而后 曾祖季（即秦季养） 恃宠矜功 万彻筹深行阵 李勣平辽东 虞世南虞世南贞观六年（632年）七月 河南刘氏部分世系表 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代刘仕隽 刘坦（[隋] 大理卿） 刘政会 刘玄意（汝州刺史） 刘奇（天官侍郎） 刘慎知（获嘉令）刘超（河南少尹）刘微（吴郡太守）刘同（万年令）刘循（金吾将军） 刘玄象（主客郎中） 刘玄育（易州刺史） 此表据《新唐书·宰相世系表》整理 用秦琼为帐内骠骑 李勣奉命进攻高句丽 流泪说： “杜郎（杜怀恭）散漫不知拘束 字昙娘 国之根本 岂负朕哉！传程咬金在大架山劫"王杠" [5-

时间膨胀是由于观察同一个物理过程 的参照系之间时间测量标准不同所导 致的，与光速不变原理密切相关。
时间膨胀现象
当观察同一个物理过程的参照系之间 相对运动时，时间会变慢，即时间膨 胀现象。
长度收缩现象及解释
长度收缩定义
长度收缩是指观察同一个物体的 长度在运动的参照系中会比静止
的参照系中更短。
长度收缩现象
03 广义相对论主要内容
等效原理及其意义
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等效原理的表述
在局部范围内，加速系中 的物理规律与均匀引力场 中的物理规律完全相同。
等效原理的意义
揭示了引力与加速系中惯 性力之间的等效性，为广 义相对论的建立奠定了基 础。
实验验证
通过自由落体实验、扭秤 实验等验证了等效原理的 正确性。
时空弯曲概念与模型
04 相对论在物理学领域应用
粒子物理学中相对论效应
粒子速度接近光速时，时间膨胀 和质量增加的现象变得显著。
相对论提供了描述高速粒子行为 的数学框架，如狄拉克方程等。
在粒子加速器和高能物理实验中， 必须考虑相对论效应对粒子轨迹
和能量的影响。
天文学中恒星演化模型
相对论对于理解恒星内部结构 和演化过程至关重要。
发展新的相对论应用领域
相对论在航空航天、全球定位系统等领域的应用已经取得了显著成效， 未来有望在更多领域发掘相对论的应用潜力。
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原子钟精确计时原理
利用原子能级跃迁时释放的精确频率作为计时标准，同时 考虑相对论效应对原子钟计时精度的影响，确保原子钟的 长期稳定性和准确性。
原子钟的应用
广泛应用于航空航天、通信、导航等领域，提高了时间计 量的准确性和精度。

相对论旳建立
一. 两朵乌云
1900，开尔文勋爵： 物理学旳大厦已经建成，将
来旳物理学家只需要做些修修补补 旳工作就行了。但是，明朗旳天空 还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有 关，另一朵与迈克尔逊试验有关。
第一朵乌云：黑体辐射
量子论
1900
第二朵乌云：迈克尔逊试验
1905
相对论
量子论旳诞生
量子说
光子说
• 光波是“以太”旳弹性振动。 • 以太相对于地球运动吗？ • 光行差现象（1728，1810）：以太相
对于地球有运动。 • 迈克尔逊试验（1881，1887）：没有
测出这一运动。
洛伦兹旳解释： 以太相对于绝对空间静止。 洛伦兹收缩：
l l0 1 v2 / c2
x’=x-vt y’=y z’=z t’=t
暗能量 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%
黑洞
r
r
2GM c2
(视界） r=0奇点
洞外 洞内
t 时间 空间
r 空间 时间
信息疑难
霍金
(S.W.Hawking)
索恩
普瑞斯基
(John Preskill )
(Kip.Throne)
2023年7月21日,霍金 “我输了”
光线偏折
广义相对论： =1.75"
牛顿理论： =0.875"
试验观察：（1923年：爱丁顿
西非普林西比;
巴西，阴雨）
=1.98 0.12"
今日：
=1.89"
引力波
• 广义相对论预言：有引力波，以光速传 播
• 发觉脉动双星（PSR1913+16）轨道周期 每年降低约万

1900～1904年，爱因斯坦每年写出一篇论文，发表 于德国《物理学杂志》。头两篇是关于液体表面和电解的 热力学，企图给化学以力学的基础，以后发现此路不通， 转而研究热力学的力学基础。1901年提出统计力学的一些 基本理论，1902～1904年间的三篇论文都属于这一领域。
1904年的论文认真探讨了统计力学所预测的涨落现象， 发现能量涨落取决于玻尔兹曼常数。它不仅把这一结果用 于力学体系和热现象，而且大胆地用于辐射现象，得出辐 射能涨落的公式，从而导出维恩位移定律。涨落现象的研 究，使他于1905年在辐射理论和分子运动论两方面同时做 出重大突破。
的高度，为相对论的诞生创造了条件。他因其电子论对塞曼效 应进行了定量解释，与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖。
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2.长度收缩假说的提出：
1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运 动》，用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验。他认为 运动物体在其运动方向上的收缩，抵消了地球在以太中运行 所造成的光程差，所以观察不到预期的条纹移动。他写到： “我终于想出唯一的方法来调和它与菲涅耳的理论：连接一 个固体上的两点连线，如果开始平行于地球运动的方向，当 它转过90℃后就不能保持原来的长度。如果令后一个位置的 长度为L，则前一个位置的长度为L(1-α)。”其中α=v2/2c2 。 1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为
可以说，洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以 及他最早形成的关于物质质量随其运动速度增加的思想，都已 包含了狭义相对论的基本内容，为爱因斯坦创立狭义相对论创 造了条件。
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二 彭加勒的Βιβλιοθήκη 点彭加勒(J.H.Poincare)：法国数学家、物理学家和哲学家， 1854年4月生于法国南锡，1871年进入巴黎工艺学院，毕业 后又进入国立矿业学院学习。1879年获数学博士学位，同年 任卡昂大学数学教师，1881年起任巴黎大学教授。1887年当 选为巴黎科学院院士，1906年任该院院长，1908年当选为法 国科学院院士。1912年7月逝世。

2 ） 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：光的波动说理论和 麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
3 ） 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。
对实验“零结果”的几种解释
(1) 地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零， 在地球上实验条纹不移动。但此解释必 然得出地球是宇宙中心的结论，同时太 阳光在地球周围各向同性，但太阳相对 地球运动，仍不符合经典速度合成。
(3)发射理论
静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。 这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。 麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。 仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。
这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有 关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球 为C－v。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不 同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应 是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光 速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍 然无移动，证明双星实验正确。
(4)收缩假定（1892年洛仑兹—菲兹杰拉德 )
迈克耳逊-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。 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-莫雷实验
菲兹杰拉德
1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901） 对迈克耳逊-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 动方向上产生一定比例的收缩，即 1 v 2 的比例收
迈克耳逊先单独做了一 个实验来测量地球穿过 以太的效应，1881年他 发表结果说没有发现地 球相对于以太的可以检 测的运动。

克 鲁
射线在磁场中会发生偏转。
克 斯
演
克鲁克斯（1832~1919）证实阴极射线不但按
示 阴
直线前进，能聚焦，能偏转，而且还可以传递
极 射
能量和动量。并认为阴极射线是一种带（负）
线 聚
电的粒子流。舒斯特也持这种观点，并根据阴
焦
极射线的磁偏转数据计算了带电粒子的电荷e与
其质量m的比值。
法拉第1836发现辉光放电；1876发现阴极发出射线； 克鲁克斯1879发现“克鲁克斯暗区”，发现阴极射线能使小叶 轮转动。
1905 3月发展量子论，提出光量子假说，解决光电效应问题。4 月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》，取得博士学 位。5月完成论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出狭 义相对性原理，开创物理学的新纪元。9月提出质能相当关系。
爱因斯坦年表
1907 开始研究引力场理论。6月兼任伯尔尼大学的编外讲师。
在遗嘱中，爱因斯坦将他遗物的处理权交给了希伯来大学， 其中也包括他的肖像权。任何人或机构，如想使用爱因斯坦的 照片，都必须向希伯来大学提出申请。校方对申请审批严格， 并且要价不菲。
2001年，美国大导演斯皮尔伯格想在科幻片《人工智能》 中使用爱因斯坦的肖像，结果掏了60万美元才获得授权。
档案馆馆长、希伯来大学的前校长古特弗罗因德教授说， 通过对爱因斯坦肖像进行授权的收益为1000万美元左右，而这些 钱全部投进了教育事业。古特弗罗因德说，他们并不是为赚钱而 授权，而是希望通过这种方式，维护爱因斯坦的形象尊严。至于 是否批准申请，则视肖像的用途是否有益于社会和后代，而不是 申请人的身份和地位，“对事不对人”。
1900 8月毕业于苏黎世联邦工业大学。
1901 3月取得瑞士国籍。5月任中学代课教师。完成电势差的热 力学理论的论文。10月任家庭教师。12月申请去伯尔尼瑞士专利 局工作。

迈克尔逊
“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的 《哲学原理》一书中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可 能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就 是“以太”。 17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。 麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成 电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。
2、迈克尔逊——莫雷实验
由于人们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19 世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881 年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结 果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果 仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情 愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。
亨利.庞加莱
1904年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道： “根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀 速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实 验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞 加莱还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简 洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。
一、走在爱因斯坦前面的人
人名 麦克斯韦 贡献 创建电磁理论 影响
赫兹
佛格特 拉摩
修改麦克斯韦方程
1887年提出佛格特变换， 与洛伦兹变换相似 洛伦兹知道佛格特的工 作，但没有足够注意。
拉摩进动和拉摩变换
费兹杰惹
洛伦兹 庞加莱
独立地提出洛伦兹变换
提出电子论和洛伦兹变 爱因斯坦读过洛伦 换 兹1895年的著作 提出相对性原理
3、真空中的光速
根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数， 与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。
4、物理学家面临的选择

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相对论的建立和发展
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•爱因斯坦和洛伦兹在一起
相对论的建立和发展
•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。他称之为两条公设，内容如下： • “1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化 时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的 那一个并无关系，（相对性原理）。” • “2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v运动着， 不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速 不变原理）。”
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相对论的建立和发展
•1900年 苏黎世联邦工业大学师范系毕业。 •1902年 在瑞士联邦专利局工作 •1909年 离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。 •1911年 任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校 苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应能斯脱的邀请，回德
国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。
1905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。
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相对论的建立和发展
• 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。 •爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说： “最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球 相对以太的运动”。甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿 不同方向的两束光线所放出的热量。 • 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。他继续 回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于 以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一 步。”