爱因斯坦与物理学的革命(赵峥教授)
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主序星→红巨星→白矮星 ρ ~1吨/ cm 3
中子星 超新星爆发 黑洞
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拉普拉斯 用牛顿力学预言了黑洞
➢ 1939年 奥本海默预言黑洞
r 2GM c2
爱因斯坦反对
恒量演化
x ' (x vt) / 1 v 2 / c 2 y' y z' z t ' (t vx / c 2 ) / 1 v 2 / c 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
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：
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
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
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)
未来研究如何: 临界密度 c 3 个氢原子/米 3
c c c
k0 k0 k0
脉动 膨胀 膨胀
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
10 2
（弱作用）
10 14
万有引力
10 39
电磁作用比引力作用强约 10 37 倍。
宇宙的结构
太阳系： 1光年 星系： 10 5光年（10万光年） 星系团： 10 7 光年 观测表明：在比 10 8光年更大的尺度，宇宙 是均匀各向同性的。
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
诞生于德国乌尔姆
中，小学时代 德国慕尼黑
1895-1896
瑞士阿劳中学一年
1896-1900
苏黎士工业大学学习
相对论
相对论认为 动尺收缩：ll0/ 1v2/c2
空间是相对的 动钟变慢：dTd/t 1v2/c2
时间是相对的 质能关系： EmC2
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
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
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， 另一朵与迈克尔逊实验有关。
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
gRg
k T
（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
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。
（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。）
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
R1 2gRkT
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
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 1v2/c2
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
1900-1902
艰辛求职，四面碰壁
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）
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
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
中子星 超新星爆发 黑洞
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拉普拉斯 用牛顿力学预言了黑洞
➢ 1939年 奥本海默预言黑洞
r 2GM c2
爱因斯坦反对
恒量演化
x ' (x vt) / 1 v 2 / c 2 y' y z' z t ' (t vx / c 2 ) / 1 v 2 / c 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
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：
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
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
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)
未来研究如何: 临界密度 c 3 个氢原子/米 3
c c c
k0 k0 k0
脉动 膨胀 膨胀
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
10 2
（弱作用）
10 14
万有引力
10 39
电磁作用比引力作用强约 10 37 倍。
宇宙的结构
太阳系： 1光年 星系： 10 5光年（10万光年） 星系团： 10 7 光年 观测表明：在比 10 8光年更大的尺度，宇宙 是均匀各向同性的。
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
诞生于德国乌尔姆
中，小学时代 德国慕尼黑
1895-1896
瑞士阿劳中学一年
1896-1900
苏黎士工业大学学习
相对论
相对论认为 动尺收缩：ll0/ 1v2/c2
空间是相对的 动钟变慢：dTd/t 1v2/c2
时间是相对的 质能关系： EmC2
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
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
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， 另一朵与迈克尔逊实验有关。
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
gRg
k T
（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
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。
（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。）
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
R1 2gRkT
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
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 1v2/c2
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
1900-1902
艰辛求职，四面碰壁
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）
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
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