第十五第一相对论的诞生.ppt
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1、第二节:相对论的诞生,相对论产生的科学背景1.“以太风”测定的零结果2.洛仑兹的理论3.彭伽勒的思想爱因斯坦生平及主要贡献1.生平2.主要科学贡献 狭义相对论 1.狭义相对论的创立2.时空观的变革3.狭义相对论的局限性广义相对论及其验证1.广义相对论的提出2.验证广义相对论的三大效应,爱因斯坦,本节教学目的和要求,1.了解相对论产生的科学背景;2.了解爱因斯坦的主要科学贡献与思想方法;3.掌握狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要结论;4.深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。,一、相对论产生的科学背景,1.“以太风”测定的零结果 17世纪到19世纪末,科学家们为了寻找一种力学模型来解释光学
2、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的证实。,寻找以太,1)1861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。以太理论达到顶峰。2)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。,迈克耳逊(AAMichelson,1852-1931),迈克耳逊看到公开发表的麦克斯韦的信之后,尝试去做这个实验。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
3、现地球相对于以太的可以检测的运动。,零结果,几年后迈克耳逊又与一名化学教授莫雷(1838-1923)合作,以更高的精度重复了这个实验,1887年他们公布实验结果,仍然没有发现地球相对于以太的运动。,实验的思想基础,在以太这个参考系中光速是均匀的,所以通过测量不同方向上光的视速度,比较它们的差异,就可以确定地球相对于以太的速度。,光程差,1)假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风,那么相对实验室的光速,从A到C为c-v,从C到A为c+v,2)在AB和BA方向光速为。3)如果AB=AC=L,那么光在AB、AC间往返所需的时间分别为:4)和5)两者之差,忽略高阶小项后,为。相应的光程差为。,条
4、纹移动数0.37,1)实验仪器转动90度,使得以太风从A到B,于是光程差为,转动前后的总变化为。2)设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 n 为。3)迈克耳逊-莫雷的实验长度为11米,波长等于5.910-7米。以太风,也就是地球绕太阳的轨道速度每秒30公里,那么n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。,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水银上面,当仪器缓慢转动时连续读数。他们发现最大的位移不超过1%个条纹。2)实验无法观察到预期的0.37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做这个实验,均未发现任
5、何条纹移动。,“大失败”,1)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有的重大意义:根本没有以太这种东西!迈克耳逊称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。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
6、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。,(2)拖曳理论地球不是绝对参照系。但由于以太很轻,地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。恒星光行差现象(1727年发现):观察恒星光线的视方向与“真实”方向之间有一夹角,这说明若以太存在,将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向,应是地球相对恒星的运动速度与光速合成的方向。,(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
7、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Cv。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-莫雷实验的零结果。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。,菲兹杰拉德,1.1892年
8、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 的比例收缩(v为物体与以太的相对速度,c为光速)。收缩的量随物体运动速率的增加而增加。2.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。,荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz 1853-1928)在1904年发表的以小于光速的任何速度运动着的体系中的电磁现象中把长度收缩归结
9、为一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。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作出的最后一次尝试。,2.洛仑兹的理论,3.彭伽勒的思想,1895年,法国彭伽勒对用“长度收缩”假说来解释麦克尔逊实验进行批评;促使洛仑兹1904提出“电子论方程”,彭伽勒1904年提出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,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“洛仑兹变换”的名称,为相对论的发展奠定了良好的数学基础。彭伽勒于1898年猜测到光
10、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,但彭伽勒未考虑到同时性的相对性问题,没有对时间的绝对性问题提出异议。,二、爱因斯坦生平及主要贡献,爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)1879年3月14日出生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭,幼年迁居慕尼黑。和牛顿一样,爱因斯坦年幼时也未表现出智力超群,相反,到了四五岁他还不会说话。家里人生怕他是个低能儿。,爱因斯坦上中学之后,他的学业也不突出,除了数学很好外,其他功课都不怎么样。尤其是拉丁文和希腊文课,爱因斯坦学得一塌糊涂。他对这些古典语言太不感兴趣了。老师劝他退学算了,说他不会有大出息的。就这样,人类历史上最伟大的
11、天才中途退学了。1895年,16岁的爱因斯坦来到了瑞士苏黎世,投考苏黎世的联邦工业大学。第一次爱因斯坦没有考上。那些需要死记硬背的功课像德文、法文、动物学、植物学等都没有考好,但他的数学和物理课考得很不错。教授们安慰他还年轻,先找个中学上。这样,爱因斯坦又进了离苏黎世不远的阿劳镇中学。,在阿劳期间,是爱因斯坦人生中比较快乐的一段时光。他尝到了瑞士自由的空气和阳光,决心放弃德国国籍。1896年1月28日,爱因斯坦正式成为一个无国籍者。当年,他终于考进了联邦工业大学。在大学期间,他不能算一位好学生,一般课都缺席,只对自己感兴趣的理论物理学前沿学科着迷,而忽视其他科目。这时候,他迷上了物理学而对数学
12、反而冷落了。数学课全凭一位叫格罗斯曼的同学的笔记来应付。1900年,他大学毕业了,但一时找不到工作。,1901年2月,他取得了瑞士国籍,但工作依然没有着落。到了依然是格罗斯曼帮了他的忙。格的父亲有位朋友在伯尔尼专利局当局长,经说情爱因斯坦在那里找到了一份固定职业当技术员。1902年,爱因斯坦在伯尔尼定居了,而且在那里与几个朋友组织了一个学习小组,讨论科学和哲学的前沿问题。因常在一个叫奥林匹亚的小咖啡馆聚会,他们把自己的小组称做奥林匹亚科学院。,早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题,如果一个人以光速远行,他将看到一幅什么样的世界景象呢,电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢,如果是那样,电动力学就完
13、了。看起来,电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的,伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是,一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验,也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是,电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢?,在伯尔尼专利局的岁月里,爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记取的一年,被称作爱因斯坦“奇迹年”。爱因斯坦这一年在德国物理学年鉴发表了四篇论文,其中的三篇每篇均属划时代
14、的成就。,第一篇论文发表在物理学年鉴第17卷132148页,是关于光电效应的。当时人们已经发现,金属在光的照射下可以发射出电子。但奇怪的是,光的强度只与电子的多少有关,而不能使电子的发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广,指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子,而且,只有一定能量的光量子能被金属所吸收,并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文,爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。,第二篇论文发表在物理学年鉴第17卷549560页,是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现
15、的显微镜下花粉颗垃的无规则运动,长期以来得不到解释。分子运动论建立之后,曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。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一百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。,最伟大的成就是第三篇论文论动体的电动力学,刊于物理学年鉴第17卷第89l一921页。在这篇论文中,爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他以同时性的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形
16、式。以太概念不再是必要的,以太漂移问题也不再存在。如果迈克尔逊的实验导致了零结果,那么它正是一次成功的实验,证明所谓以太漂移根本就是虚幻的。,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大,很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大,但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中,上帝说:“让牛顿去吧,”于是一切都成为光明。后人续写道:上帝说完多少年之后,魔鬼说:“让爱因斯坦去吧,”于是一切又回到黑暗中。,论动体的电动力学,刊于物理学年鉴第17卷第89l一921页。,爱因斯坦1908年兼任伯尔尼大学编外讲师。1909年离开专利局任苏黎世大学理
17、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,应马克斯普朗克和瓦尔特能斯脱的邀请,回德国任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授,直到1933年。1920年应亨德里克安东洛伦兹和保耳埃伦菲斯特的邀请,兼任荷兰莱顿大学特邀教授。第一次世界大战爆发后,他投入公开和地下的反战活动。,1916年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言于1919年由英国天文学家亚瑟斯坦利爱丁顿的日全食观测结果所证实。1916年他预言的引力波在1978年也得到了证实。爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词,同时也招来了德国和其他国家的
18、沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。爱因斯坦因在光电效应方面的研究,而被授予1921年诺贝尔物理学奖。1933年1月纳粹党攫取德国政权后,爱因斯坦是科学界首要的迫害对象,幸而当时他在美国讲学,未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时,9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪,星夜渡海到英国,10月转到美国普林斯顿大学,任新建的高级研究院教授,直至1945年退休。1940年他取得美国国籍。,1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现,在匈牙利物理学家利奥西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议研制原子弹,以防德国占先。第二次世界大战结束前夕,美国在日本广岛和长崎两个城市上空投掷原子弹,爱因斯坦对此强
19、烈不满。战后,为开展反对核战争的和平运动和反对美国国内法西斯危险,进行不懈的斗争。1955年4月18日爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱,不举行任何丧礼,不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒在永远对人保密的地方,为的是不使任何地方成为圣地。爱因斯坦的后半生一直从事寻找大统一理论的工作,不过这项工作没有获得成功,现在大统一理论是理论物理学研究的中心问题。,主要科学贡献,1905年爱因斯坦在德国物理学年鉴上发表了4篇论文,包括物理学方面三项重要的发展:一个关于光的产生和转化的启发性观点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论动体的电动力学物体的惯性是否与它所含的能量有关?这一
20、年他还完成了博士论文“分子大小的新测定方法”,获得博士学位。,主要科学贡献,爱因斯坦在1915年到1917年的3年中,还在 3 个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。1.1916年建立广义相对论,把时间、空间和物质统一起来;2.1916年提出受激辐射理论;3.他晚年致力于引力场和电磁场统一起来的研究。,爱因斯坦大事年表,阿尔伯特爱因斯坦(18791955)1879年3月14日生于德国乌尔姆市 1896年 1900年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理 1902 1909年在伯尔尼任瑞士专利局技术员 1909年1912年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理
21、论物理学教授 19141933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 19331945年任美国普林斯顿高等学术研究院教授 1945年退休,1955年病逝。,三、狭义相对论,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾经典力学的相对性原理:作匀速运动的坐标系称为惯性系。经典力学中的一个基本原理也就是伽利略相对性原理,它表示:运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系时,运动定律的形式保持不变。也就是说,一切作机械运动的惯性系是等价的。,三、狭义相对论,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾牛顿绝对时空观:在牛顿力学中,认为空间距离和时间间隔是绝对的,与参考系无关。这种认为也称绝对时
22、空观。它要求时间是绝对的宇宙中各处存在的一个跟参考系的选择无关的、不受物质运动过程影响的、统一的普适时间,时间与空间没有任何联系;不论有无任何其他客体,绝对的、真实的时间永远无条件的、均匀地流逝着。长度(或两个同时事件之间的距离)与参考系选择无关。,写成矢量形式为:,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾牛顿绝对时空观下的伽利略变换:相对于沿x轴正向以匀速v运动。t0时刻,物体在O点,、系重合;在tt时刻,物体运动到 P 点。,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾根据伽利略变换,可得事件的速度变换:牛顿力学认为物体的质量和它的速度无关,于是可得牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基本方程保
23、持形式不变,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾无源真空中的波动方程,其解包括各种形式的电磁波,c是电磁波在真空中的传播速度。真空中,一切电磁波都以速度c传播。,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾有源空间的推迟势说明了电磁作用是以有限速度v=c向外传播的,不是瞬时超距作用。换句话说:电荷、电流辐射电磁波,而电磁波以速度c脱离电荷、电流向外传播,经历时间 r/c 到达观察点x。这就是推迟势所描写的物理过程。事实上,除电磁作用外,其它一切作用都是通过物质以有限的速度传播的,不存在瞬时的超距作用,这一点正是相对论时空观的基础。,1.麦克斯韦方程组与牛顿绝对时空观的矛盾以上说明,在伽利略变换
24、下,麦克斯韦方程不能保持其形式不变,这是因为麦克斯韦方程得到的电磁波在真空中的传播速度为常数c的结论。如果麦克斯韦方程在伽利略变换下保持不变,则光速在不同惯性系中不可能各向都是c,而应随惯性系之间的相对运动速度变化,这样电磁波在真空中的传播速度不再为常数。由此可见,以牛顿时空观来看,在不同的惯性系中,电动力学的规律并不相同。,由牛顿时空观出发,在伽利略变换下,一切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式,但电磁学却不服从伽利略相对性原理。从逻辑上说,对同一种变换,力学规律有相同的形式,而电磁学规律的形式却不相同,这是不可思议的。这个矛盾的存在有两种可能性:麦克斯韦电动力学定律不正确,而伽利略变换正
25、确;麦克斯韦方程是正确的,但力学规律在高速(vc)情况下并不正确,伽利略变换在高速情况下也不正确。应存在一种新的变换,在新变换形式下,电动力学规律服从相对性原理。爱因斯坦面对这两条路,大胆地选择第二条道路,在1905年提出了新的时空理论。,三、狭义相对论,2.狭义相对论的创立1905年,爱因斯坦在论动体的电动力学中指出:“企图证实地球相对于光媒质运动的实验的失败,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样适用,对于第一级微量来说,这是已经证明了的。,三、狭义相对论,我们要
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