2011相对论

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上帝不玩弄骰子
二十世纪上半期爱因斯坦曾经是量子力学的催生 者之一，但是他不满意量子力学的后续发展，也 就是以玻尔为首的哥本哈根诠释，这一套诠释表 明自然法则中存在着一种根本的随机性，于是量 子力学之后发展出著名的‛测不准原理‛[1]。 爱因斯坦与其他科学家提出一个‚EPR悖论‛来 反驳哥本哈根的解释，他说了一句很有名的话： ‚上帝不玩弄骰子‛，他还有另一个名言‚月亮 是否只在你看着他的时候才存在？‛爱因斯坦恪 守‚因果律‛，是最后一位古典物理学家。
洛伦兹力 （8学时）
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第二章 广义相对论（4学时） 第一节 广义相对论的两条基本原理
广义相对性原理 等效原理
第二节 广义相对论的重要结论
引力使光线弯曲 引力对时间的影响 引力对空间的影响 空间弯曲 引力波 广义相对论的宇宙模型
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相对论是物理学方向的专业选修课，该 门课程向学生介绍狭义 相对论的基本思想以及研究问题的基本 方法。通过该门课程的学习，要求达到 以下教学目的： 1.学生对相对论有整体的了解，对时空 的客观规律有更深刻的认识。 2.能够通过狭义相对论解释高速运动物 体存在的一些现象。 3.为进一步学习打基础，特别是学习天 体物理以及粒子与原子核物理。
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2.伽利略变换
建立同一事件（同一盏灯发出同一个闪光）在 俩个惯性系中时空坐标的变换关系
同一事件P 在两个坐标 系中的时空 坐标分别为
s
y
vt
y
s'
y'
y'
v
x'
P ( x, y , z )
*
( x' , y ' , z ' )
当
t t ' 0
时
o 与 o' 重合
z z
o
o' z' z'
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第一章 狭义相对论
第一节 爱因斯坦基本假设 第二节 洛仑兹变换 第三节狭义相对论时空观 第四节 相对论理论的四维形式
第五节 电动力学的相对论不变性
第六节 相对论力学
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本章阐述狭义相对论的基本内容。 首先从实验事实出发，引入相 对论的两个基本原理—相对性原理 和光速不变原理，由此导出时空坐 标的洛伦兹变换式，并着重讨论相 对论的时空概念。
第二章
广义相对论（4学时）
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第一章 第一节
狭义相对论（30学时） 爱因斯坦基本假设
力学相对性原理和伽利略变换
狭义相对论产生的实验基础和历史条件
爱因斯坦基本假设 （4学时）
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第二节
洛伦兹变换
洛伦兹坐标变换
洛伦兹速度变换 （4学时）
第三节 狭义相对论时空观
‘’同时性‘’的相对性 时间膨胀
长度收缩
因果关系的绝对性 （6学时）
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1905年9月27日，德国《物理学报》刊出 〈物体的惯性与其所含能量有关吗？〉 （Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?），认为‚物 体的质量可以度量其能量‛，随后导出了 E = mc² 的公式。
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成名
1915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 顿的日全蚀观测结果所证实。 1916年他预言的引力波在1978年也得到了 证实。 1917年爱因斯坦在《论辐射的量子性》一 文中提出了受激辐射理论，成为激光的理 论基础
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相对论的创始人:
Albert · Einstein（阿尔伯特 ·爱因斯坦） 1905年，狭义相对论
（Special Theory of Relativity）
1916年，广义相对论
(General Theory of Relativity)
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在上世纪初，发生了三次概念上
的革命，它们深刻地改变了人们对 物理世界的了解，这就是 狭义相对论（1905）、 广义相对论（1916）
第一节 爱因斯坦基本假设
一.经典力学的相对性原理和伽利略变换
相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答:
对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有
相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .
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Leabharlann Baidu
1.力学性对性原理（伽利略性对性原理）： 对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的， 没有哪个惯性系比其他惯性系更优越。 或（已知力学规律的数学形式）在一切惯性 中力学规律都具有相同的数学形式
1915.提出了引力的场方程---标志着广义相对论 的最终完成 开创了宇宙学这个新的科学领域
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第一章 狭义相对论
第一节 爱因斯坦基本假设 第二节 洛仑兹变换 第三节狭义相对论时空观 第四节 相对论理论的四维形式
第五节 电动力学的相对论不变性
第六节 相对论力学
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狭义相对论的主要内容
(1) 惯性参考系之间时空坐标的洛 伦兹变换及其物理意义,这是相 对论时空观的集中反映。 (2) 物理规律在任意惯性系中可表为 相同形式,即物理规律的协变性。 协变性要求是对各种场和粒子间相 互作用规律的探索的主要理论指导 之一。
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牛顿力学的基本信条：空间和时间的绝对性 物理学 低速宏观
高速微观
19世纪末20世纪初
爱因斯坦 1905 以相对性原理和光速不变 原理为基本假设建立了狭义相对论 相对论是关于时空的理论 对近代物理学，特别是核物理和高能物理的 发展起了重要的推动作用
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狭义相对论：局限于惯性系的理论
广义相对论：推广到一般参考系和包括 引力场在内的理论
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1905年4月：根据在咖啡馆里关于茶的讨论，爱因 斯坦写出一篇论文，论证可以根据糖在液体中的 扩散速度来计算糖分子的大小。这一篇《根据分 子运动论研究静止液体中悬浮微粒的运动》（On the Motion Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid）的论文。 1905年6月30日，德国《物理学年鉴》（Annalen der Physik）发表《关于运动物体的电动力学》 （On the Electrodynamics of Moving Bodies） 一文。首次提出了狭义相对论基本原理，论文中 提出了两个原理：‚光速不变‛，以及‚相对性 原理‛。
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爱因斯坦生于德国乌尔姆一个经营电器作坊 的小业主家庭，父母都是犹太人，父亲赫尔 曼· 爱因斯坦是一名成功的商人，母亲波 林· 科克是一位钢琴家。爱因斯坦从小不很聪 明，三岁还不会说话。五岁时对袖珍罗盘着 迷，六岁开始练习拉小提琴。爱因斯坦在就 读小学和中学时，功课表现平常，不爱与人 交往，老师和同学都不喜欢他。
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1905年3月发表《关于光的产生和转化的一个启 发性观点》（On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light）， 认为光是由分离的粒子所组成。爱因斯坦解释 光也是由小的能量粒子（量子）组成的，并且 量子可以像单个的粒子那样运动。‚光量子‛ 理论把1900年普朗克创立的量子论大大推进一 步，对早已成为定论的光的波动理论提出有力 挑战，揭示了微观世界的基本特征：波动—粒 子二元性。
x
x' x
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s
1.位置坐标变换公式
y
vt
y
s'
y'
y'
z' z t' t
x' x vt y' y
v
x'
*
P ( x, y , z ) ( x' , y ' , z ' )
o
z z
o' x z' z'
x' x
经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与 参考系无关 .
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1919年11月10日《纽约时报》刊登新观察证 实相对论的消息，形容这是爱因斯坦理论的 大胜利.爱因斯坦因在光电效应方面的研究， 被授予1921年诺贝尔物理学奖。在瑞典科学 院的公告中并未提及相对论，原因是认为相 对论还有争议 爱因斯坦的后半生一直从事寻找统一场论的工作，不 过这项工作没有获得成功，对此，现在，寻找比统一 场论包含内容更广泛、能够统一解释各种基本相互作 用的理论，是理论物理学研究的中心问题之一。 1999年《时代》杂志将其评选为20世纪风云人物。 为纪念他，第99号元素被命名为‚锿‛。 另外，‚爱因斯坦‛一词还是耶路撒冷希伯来大学 的注册商标. 科学的巨人
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(3) 把电动力学基本规律—麦克斯韦方 程组和洛伦兹力公式表为协变形式， 从而使电动力学成为明显相对论性的 理论，可用来解决任意速度带电粒子 与电磁场的相互作用问题。
(4) 把力学基本规律推广为协变性的相对 论力学。由此得到相对论的质量、能 量和动量的关系。这些关系是原子能 应用的主要理论基础，是解决高能粒 子运动和转化过程的运动学问题的主 要工具。
相对论
第一章 狭义相对论
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 爱因斯坦基本假设 洛伦兹变换 狭义相对论时空观 相对论理论的四维形式 电动力学的相对论不变性 相对论力学
第二章 广义相对论
第一节 广义相对论的两条基本原理 第二节 广义相对论的重要结论
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绪论（2学时）
第一章 狭义相对论（30学时）
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相对论的发展过程：
1905.提出光量子假说—关于光产生和转化的 一个推测性的观点 提出狭义相对论—论动体的电动力学
提出质能关系—物体的惯性同它所含的能量有 关吗
这是原子核物理学和粒子物理学的理论基础
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1906. 固体比热与温度的关系
1916.激光技术的基础—原子受激辐射---关于辐 射的量子理论 20世纪20年代.单原子气体的量子统计理论 –玻 色爱因斯坦统计分布 狭义相对论 广义相对论
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第四节 相对论理论的四维形式
三维空间的正交变换 物理量按空间变换性质的分类 洛伦兹变换的四维形式 四维协变量 物理规律的协变性 （4学时）
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第五节 电动力学的相对论不变性
四维电流密度矢量
四维势矢量
电磁场张量 电磁场的不变性 （4学时）
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第六节 相对论力学
能量—动量四维矢量
质能关系
相对论力学方程
和量子力学（1925）。
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Albert Einstein
1879 –1955
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20世纪最伟大的科学家— 阿尔伯特· 爱因斯坦
爱因斯坦1900年毕业于苏黎世工业大学，并 入瑞士籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学 位。曾在伯尔尼专利局任职。苏黎世工业大 学、布拉格德意志大学教授。1913年返德国， 任柏林威廉皇帝物理研究所长和柏林大学教 授，并当选为普鲁士科学院院士。1933年因 受纳粹政权迫害，迁居美国，任普林斯顿高 级研究所教授，从事理论物理研究，1940年 入美国国籍。
奇迹年
爱因斯坦于伯恩的故居爱因斯坦在1905年 发表了四篇划时代的论文，分别为：《关 于光的产生和转化的一个启发性观点》、 《根据分子运动论研究静止液体中悬浮微 粒的运动》、《论运动物体的电动力学》、 《物体惯性与其所含能量有关吗？》，随 后导出了E = mc² 的公式。因此这一年被称 为‚爱因斯坦 奇迹年‛。100年后的2005 年因此被定为‚2005 世界物理年‛。
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t 0 时两坐标重合
x x' 0
y
o
S
y'
S'
v
vt
z
t 时刻质点在两参照 系下的坐标
x x 'vt y y' z z' t t'
o' x ' x
P
x x'
S系
S' 系
z' x ' x vt y' y z' z t' t
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本章学习要点 1.理解相对论的时空观和绝对时空观 之间的不同，以及洛仑兹变换与伽利 略变换的关系。 2.理解爱因斯坦相对性原理和光速不 变原理 3.理解同时性的相对性，时钟延缓， 长度收缩等相对论效应。 4.理解相对论质量、动量、和能量等 概念和公式，以及它们和牛顿力学中 相应各量的关系。
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1895年，爱因斯坦来到瑞士苏黎世投考苏黎世联 邦理工学院， 1896年，爱因斯坦进入苏黎世联邦理工学院师范 系学习物理学. 1900年毕业，没能如愿留校担任助教，只能靠当 ‚家教‛维持生活。 1902年在同学父亲协助下，被伯尔尼瑞士专利局 录用为技术员，从事发明专利申请的技术鉴定工 作。他利用业余时间开展科学研究，于1905年在 物理学三个不同领域中取得了历史性成就，特别 是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了 物理学理论的革命。 翌年1月15日，以论文《分子大小的新测定法》， 16 取得苏黎世大学的博士学位。