从爱因斯坦到霍金的宇宙刘宇恒
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分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。
（由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺贝 尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）
四.膨胀的宇宙
爱因斯坦认为：广义相对论不该应用于原 子现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。
（强作用）
1
电磁作用
102
（弱作用）
1014
万有引力
1039
电磁作用比引力作用强约 1037 倍。
更适合的工作单位了
二.狭义相对论
• 光波是“以太”的弹性振动。 • 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。 • 迈克尔逊实验（1881，1887）：没有
测出这一运动。
洛伦兹的解释： 以太相对于绝对空间静止。 洛伦兹收缩：
l l0 1 v2 / c2
V是相对速度
洛伦兹反对爱因斯坦的观点， 给爱因斯坦的理论起了个名字：
相对论
相对论认为 动尺收缩：l l0 / 1 v2 / c2
空间是相对的 动钟变慢：dT dt / 1 v2 / c2
时间是相对的 质能关系： E mC2
双生子佯谬
爱因斯坦的创新之处：
（1）坚持相对性原理
（2）认识到光速是绝对的
伯尔尼发明专利局工作
初期科研情况： 1901-------1篇论文
1902-------2篇论文
1903-------1篇论文
1904-------1篇论文
爱因斯坦的丰收年
1905-------5篇 3月 解释光电效应——光子说（6月 发表） 4月 博士论文：测定分子大小的新 方法（4月发表）
未来研究如何: 临界密度 c 3 个氢原子/米 3
c c c
k 0 脉动 k 0 膨胀 k 0 膨胀
暗物质与暗能量
亮星 重子
物质 暗物质 热暗物质(中微子) 冷暗物质 起源于λ
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%
五.黑洞
➢ 1800年前后 米歇尔,拉普拉斯 用牛顿力学预言了黑洞
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
x' (x vt) / 1 v2 / c2 y' y z' z t ' (t vx/ c2 ) / 1 v2 / c2
爱因斯坦的新理论
相对论原理 光速不变原理
洛伦兹变换
洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换
爱因斯坦：不存在绝对空间，一切运动都是相 对的
宇宙的结构
太阳系： 1光年 星系： 105光年（10万光年） 星系团： 107 光年 观测表明：在比 108光年更大的尺度，宇宙 是均匀各向同性的。
宇宙学原理：在宇观尺度上，物 质的分布始终是均匀各向同性的
爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型 加入宇宙项
R
1 2
g R
k T
R
1 2
g
R
g
kT
光线偏折
广义相对论： =1.75"
牛顿理论： =0.875"
实验观测：（1915年：爱丁顿
西非普林西比;
巴西，阴雨）
=1.98 0.12"
今天：
=1.89"
引力波
• 广义相对论预言：有引力波，以光速传播
• J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉动双星 （PSR1913+16）轨道周期每年减少约万
所研究员
• 1955年4月18日 逝世
爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中 除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教 育没有好印象。
他高度评价阿劳中学的教学： “这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权 势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和 创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论 的土壤”
希尔伯特： 没有比专利局对爱因斯坦
1 2
g R
k T
时空曲率
物质
时间
能量
空间
动量
广义相对论的三个实验验证 （1） 引力红移 （2） 水星进动 （3） 光线偏折
水星轨道近日点的进动
5600.73 0.41"/百年，（观测） 5557.62 0.20"/百年，（计算） 43.11"/百年的进动无法解释
勒维叶的猜测，火神星 （勒维叶与亚当斯发现海王星） 广义相对论的回答：43"/百年
一. 两朵乌云 二. 狭义相对论 三. 弯曲的时空——广义相对论 四. 膨胀的宇宙 五. 黑洞
一. 两朵乌云
1900，开尔文勋爵： 物理学的大厦已经建成，未来
的物理学家只需要做些修修补补的 工作就行了。但是，明朗的天空还 有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关， 另一朵与迈克尔逊实验有关。
第一朵乌云：黑体辐射 1900 量子论
杨振宁是二十一世纪继爱因斯坦和狄 拉克之后，出类拔萃的物理学工程师！
•杨振宁的成长经历 •对中美教育的比较评价
谢谢!
第二朵乌云：迈克尔逊实验 1905 相对论
量子论的诞生
量子论 1905 光子论 爱因斯坦解释光电效应
爱因斯坦生平（Ⅰ）
1897.3.尼黑
1895-1896
瑞士阿劳中学一年
1896-1900
苏黎士工业大学学习
1900-1902
艰辛求职，四面碰壁
1902-1909
（宇宙项）
弗利德曼 膨胀或脉动的宇宙（1922年）
勒梅特神父 “宇宙蛋” 年）
（1927
哈勃定律 V=HD
(1929年)
伽莫夫
αβγ 火球模型(大爆炸模
型)
(1948年)
对膨胀宇宙的支持
星系红移 (哈勃定律)
氦丰度
3K微波背景辐射(1964年,彭齐亚 斯,威尔逊)
宇宙的未来: 无限无边的膨胀宇宙(K ≤ 0) 有限无边的脉动宇宙(K ＞ 0)
其他成就：分子运动论，量子统计，激光 原理，统一场论，与哥本哈根 学派的论战
爱因斯坦领导了20世纪的科学革 命,奠定了现代物理学的基础.
对中学物理教学的 几点思考
•关于基础知识和基本技能 •关于探究 •天才学生的成长环境 •中国与欧美教育的比较
杨振宁教授的功绩和教育思想
杨振宁的主要贡献：
规范场： （1953年 31岁） 宇称不守恒 （1956年 34岁） 杨－巴克斯特方程 （1967年 45岁）
r 空间 时间
信息疑难
霍金
(S.W.Hawking)
索恩
(Kip.Throne)
普瑞斯基
(John Preskill )
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
主要成就
1905 狭义相对论（受马赫思想启发） 光子说
1915 广义相对论（受马赫思想启发，得 到格罗思曼与希尔伯特的帮助）
5月 解释布朗运动（7月发表）
6月 “论运动物体的电动力学”—— 狭
义E相对m论c2（9月发表）
9月
（11月发表）
爱因斯坦生平（Ⅱ）
• 1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布
拉格等地）
• 1914-1933 柏林大学教授，德国物理研
究所所长、院士
• 1915
提出广义相对论
• 1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究
（3）时间
能量
空间
动量
三.弯曲的时空——广义相对论
（1）惯性系无法定义 （2）万有引力定律纳不进相对论体系
引力场=惯性场
mg mI
等效原理 广义相对性原理
广义相对论
➢ 万有引力不是真正的力，
而是时空弯曲的表现 ➢ 行星绕日运动是惯性运动（伽利略的错误） ➢ 地球上的自由落体是惯性运动
R
➢ 1939年 奥本海默预言黑洞
2GM r
c2
爱因斯坦反对
恒量演化
主序星→红巨星→白矮星 ρ ~1吨/ cm3
中子星 超新星爆发 黑洞
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
ρ ~10亿吨/cm3 ρ ~100亿吨/ cm3 1.4 M
2~3 M
r
2GM c2
(视界） r=0奇点
r
洞外 洞内
t 时间 空间
李政道（31岁）、杨振宁（35岁） 获诺贝尔奖（1957年）
规范场：
1、爱因斯坦统一场论的思想 2、魏尔（H.Weyl）的尺度变换理论
－－规范场 3、爱因斯坦的反对意见 4、福克与伦敦对魏尔理论的修正 5、杨振宁对规范场的贡献
杨振宁的工作已经排列在牛顿、 麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列
1、电磁理论（麦克斯韦） 2、万有引力理论（牛顿、爱因斯坦） 3、弱相互作用与强相互作用（杨振宁）
（由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺贝 尔物理奖，但未明确指明发现引力波。）
四.膨胀的宇宙
爱因斯坦认为：广义相对论不该应用于原 子现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。
（强作用）
1
电磁作用
102
（弱作用）
1014
万有引力
1039
电磁作用比引力作用强约 1037 倍。
更适合的工作单位了
二.狭义相对论
• 光波是“以太”的弹性振动。 • 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。 • 迈克尔逊实验（1881，1887）：没有
测出这一运动。
洛伦兹的解释： 以太相对于绝对空间静止。 洛伦兹收缩：
l l0 1 v2 / c2
V是相对速度
洛伦兹反对爱因斯坦的观点， 给爱因斯坦的理论起了个名字：
相对论
相对论认为 动尺收缩：l l0 / 1 v2 / c2
空间是相对的 动钟变慢：dT dt / 1 v2 / c2
时间是相对的 质能关系： E mC2
双生子佯谬
爱因斯坦的创新之处：
（1）坚持相对性原理
（2）认识到光速是绝对的
伯尔尼发明专利局工作
初期科研情况： 1901-------1篇论文
1902-------2篇论文
1903-------1篇论文
1904-------1篇论文
爱因斯坦的丰收年
1905-------5篇 3月 解释光电效应——光子说（6月 发表） 4月 博士论文：测定分子大小的新 方法（4月发表）
未来研究如何: 临界密度 c 3 个氢原子/米 3
c c c
k 0 脉动 k 0 膨胀 k 0 膨胀
暗物质与暗能量
亮星 重子
物质 暗物质 热暗物质(中微子) 冷暗物质 起源于λ
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%
五.黑洞
➢ 1800年前后 米歇尔,拉普拉斯 用牛顿力学预言了黑洞
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
x' (x vt) / 1 v2 / c2 y' y z' z t ' (t vx/ c2 ) / 1 v2 / c2
爱因斯坦的新理论
相对论原理 光速不变原理
洛伦兹变换
洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换
爱因斯坦：不存在绝对空间，一切运动都是相 对的
宇宙的结构
太阳系： 1光年 星系： 105光年（10万光年） 星系团： 107 光年 观测表明：在比 108光年更大的尺度，宇宙 是均匀各向同性的。
宇宙学原理：在宇观尺度上，物 质的分布始终是均匀各向同性的
爱因斯坦：有限，无边的静态宇宙模型 加入宇宙项
R
1 2
g R
k T
R
1 2
g
R
g
kT
光线偏折
广义相对论： =1.75"
牛顿理论： =0.875"
实验观测：（1915年：爱丁顿
西非普林西比;
巴西，阴雨）
=1.98 0.12"
今天：
=1.89"
引力波
• 广义相对论预言：有引力波，以光速传播
• J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉动双星 （PSR1913+16）轨道周期每年减少约万
所研究员
• 1955年4月18日 逝世
爱因斯坦对学校教育持批评态度，一生中 除了在阿劳中学那一年的补习班外，对学校教 育没有好印象。
他高度评价阿劳中学的教学： “这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权 势的教师的纯朴热情，培养了我的独立精神和 创造精神。正是阿劳中学，成为了孕育相对论 的土壤”
希尔伯特： 没有比专利局对爱因斯坦
1 2
g R
k T
时空曲率
物质
时间
能量
空间
动量
广义相对论的三个实验验证 （1） 引力红移 （2） 水星进动 （3） 光线偏折
水星轨道近日点的进动
5600.73 0.41"/百年，（观测） 5557.62 0.20"/百年，（计算） 43.11"/百年的进动无法解释
勒维叶的猜测，火神星 （勒维叶与亚当斯发现海王星） 广义相对论的回答：43"/百年
一. 两朵乌云 二. 狭义相对论 三. 弯曲的时空——广义相对论 四. 膨胀的宇宙 五. 黑洞
一. 两朵乌云
1900，开尔文勋爵： 物理学的大厦已经建成，未来
的物理学家只需要做些修修补补的 工作就行了。但是，明朗的天空还 有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关， 另一朵与迈克尔逊实验有关。
第一朵乌云：黑体辐射 1900 量子论
杨振宁是二十一世纪继爱因斯坦和狄 拉克之后，出类拔萃的物理学工程师！
•杨振宁的成长经历 •对中美教育的比较评价
谢谢!
第二朵乌云：迈克尔逊实验 1905 相对论
量子论的诞生
量子论 1905 光子论 爱因斯坦解释光电效应
爱因斯坦生平（Ⅰ）
1897.3.尼黑
1895-1896
瑞士阿劳中学一年
1896-1900
苏黎士工业大学学习
1900-1902
艰辛求职，四面碰壁
1902-1909
（宇宙项）
弗利德曼 膨胀或脉动的宇宙（1922年）
勒梅特神父 “宇宙蛋” 年）
（1927
哈勃定律 V=HD
(1929年)
伽莫夫
αβγ 火球模型(大爆炸模
型)
(1948年)
对膨胀宇宙的支持
星系红移 (哈勃定律)
氦丰度
3K微波背景辐射(1964年,彭齐亚 斯,威尔逊)
宇宙的未来: 无限无边的膨胀宇宙(K ≤ 0) 有限无边的脉动宇宙(K ＞ 0)
其他成就：分子运动论，量子统计，激光 原理，统一场论，与哥本哈根 学派的论战
爱因斯坦领导了20世纪的科学革 命,奠定了现代物理学的基础.
对中学物理教学的 几点思考
•关于基础知识和基本技能 •关于探究 •天才学生的成长环境 •中国与欧美教育的比较
杨振宁教授的功绩和教育思想
杨振宁的主要贡献：
规范场： （1953年 31岁） 宇称不守恒 （1956年 34岁） 杨－巴克斯特方程 （1967年 45岁）
r 空间 时间
信息疑难
霍金
(S.W.Hawking)
索恩
(Kip.Throne)
普瑞斯基
(John Preskill )
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
主要成就
1905 狭义相对论（受马赫思想启发） 光子说
1915 广义相对论（受马赫思想启发，得 到格罗思曼与希尔伯特的帮助）
5月 解释布朗运动（7月发表）
6月 “论运动物体的电动力学”—— 狭
义E相对m论c2（9月发表）
9月
（11月发表）
爱因斯坦生平（Ⅱ）
• 1909-1914 进入大学工作（苏黎士，布
拉格等地）
• 1914-1933 柏林大学教授，德国物理研
究所所长、院士
• 1915
提出广义相对论
• 1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究
（3）时间
能量
空间
动量
三.弯曲的时空——广义相对论
（1）惯性系无法定义 （2）万有引力定律纳不进相对论体系
引力场=惯性场
mg mI
等效原理 广义相对性原理
广义相对论
➢ 万有引力不是真正的力，
而是时空弯曲的表现 ➢ 行星绕日运动是惯性运动（伽利略的错误） ➢ 地球上的自由落体是惯性运动
R
➢ 1939年 奥本海默预言黑洞
2GM r
c2
爱因斯坦反对
恒量演化
主序星→红巨星→白矮星 ρ ~1吨/ cm3
中子星 超新星爆发 黑洞
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
ρ ~10亿吨/cm3 ρ ~100亿吨/ cm3 1.4 M
2~3 M
r
2GM c2
(视界） r=0奇点
r
洞外 洞内
t 时间 空间
李政道（31岁）、杨振宁（35岁） 获诺贝尔奖（1957年）
规范场：
1、爱因斯坦统一场论的思想 2、魏尔（H.Weyl）的尺度变换理论
－－规范场 3、爱因斯坦的反对意见 4、福克与伦敦对魏尔理论的修正 5、杨振宁对规范场的贡献
杨振宁的工作已经排列在牛顿、 麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列
1、电磁理论（麦克斯韦） 2、万有引力理论（牛顿、爱因斯坦） 3、弱相互作用与强相互作用（杨振宁）