爱因斯坦与物理学的革命(赵峥教授)

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）
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
没有比专利局对爱因斯坦 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 v / c
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）
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!
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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：
2
2
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
x ( x vt ) / 1 v / c
' 2
2
y y
'
z z
'
t (t vx / c ) / 1 v / c
' 2 2
2
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 V是相对速度
物质
时空曲率
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
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
2 义相对论（9月发表） E mc
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
（宇宙项）
R R
弗利德曼
膨胀或脉动的宇宙（1922年）
勒梅特神父 “宇宙蛋” 年） 哈勃定律 V=HD
（1927 (1929年)
伽莫夫
α β γ 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:
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）
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
2~3
2GM (视界） r 2 c r=0奇点
r
t
r
洞外
洞内
时间
空间
空间
时间
信息疑难
霍金
(S.W.Hawking)
普瑞斯基
索恩
(Kip.Throne)
(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
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 m g 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
1 g R kT 2
1902-1909
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）
（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） 电磁作用 （弱作用） 万有引力
1
102
1014
1039
1037 电磁作用比引力作用强约
倍。
宇宙的结构
太阳系： 星系： 星系团：
五.黑洞
1800年前后 米歇尔,拉普拉斯 用牛顿力学预言了黑洞 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
ρ ~10亿吨/ cm3
黑洞
ρ ~100亿吨/ cm3
1.4
M M
钱德拉塞卡极限
奥本海默极限
1光年
105光年（10万光年） 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
1 g R kT 2 1 g R g kT 2
无限无边的膨胀宇宙(K ≤ 0)
有限无边的脉动宇宙(K ＞ 0)
未来研究如何:
c 3 个氢原子/米 3 临界密度
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 65% 0.5% 4% 0.3% 29%
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
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）
1897.3.14 中，小学时代 1895-1896 1896-1900 1900-1902 诞生于德国乌尔姆 德国慕尼黑 瑞士阿劳中学一年 苏黎士工业大学学习 艰辛求职，四面碰壁
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 分之一秒，恰好可用引力辐射来解释。
爱因斯坦 与物理学的革命
---纪念相对论诞生100周年暨爱
因斯坦逝世50周年
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，
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 v 2 / c 2 空间是相对的 动钟变慢：dT dt / 1 v 2 / c 2 时间是相对的
质能关系： E m C2
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 （3）时间 能量