爱因斯坦、霍金与相对论的发展

主讲：北京师范大学赵峥教授2004年10月北师大04届博士政治课讲座物含妙理总勘寻－－颐和园铜亭1943年8月出生于四川成都。1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位（导师刘辽教授），1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位（导师普利高津教授，诺贝尔奖金获得者）。曾任北京师范大学研究生院副院长，物理系主任。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师，中国引力与相对论天体物理学会理事长。赵峥教授赵峥教授长期从事理论物理的教学与研究，为本科生和研究生讲授过统计物理、量子力学、近代物理学进展、物理学史、广义相对论、黑洞物理学和弯曲时空量子场论等课程。参加和承担过多项国家自然科学基金项目，在相对论、黑洞物理等领域发表论文100余篇，在黑洞热性质、时空奇点、钟速同步和热力学的关系等方面有创新性的工作。1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。主要著作有《黑洞的热性质与时空奇异性》、《黑洞与弯曲的时空》，科普著作有《探求上帝的秘密-从哥白尼到爱因斯坦》、《物理学与人类文明》，其中《黑洞的热性质与时空奇异性》和《探求上帝的秘密》分获第11届和第12届中国图书奖。赵峥教授长期为学科教学论专业的研究生、课程班学生、教育硕士讲授“近代物理概论”、“爱因斯坦与霍金的宇宙”等课程。2000年开始担任国家教育部中学《科学课程标准》研制组组长，2001年开始主持编写初中《科学》试验教材，该教材已开始在部分地区试用。•1642年1月8日，伽利略逝世，同年圣诞节牛顿诞生•爱因斯坦（1879年3月14日～1955年4月18日）•霍金（1942年2月18日～）•伽利略逝世300周年的那一天霍金诞生了•相对论（狭义相对论）：1905年•广义相对论：1915年•明年是相对论发表100周年，爱因斯坦逝世50周年谨以本讲座做为纪念活动的前奏！爱因斯坦生平：1879年3月14日诞生于德国乌尔姆中小学时代德国慕尼黑1895年瑞士阿劳中学补习班一年1896～1900年苏黎世工业大学1902～1909年伯尔尼发明专利局1909～1914年进入大学工作（瑞士、布拉格等地）1914～1933年德国物理研究所所长，柏林大学教授，院士1915年提出广义相对论1933～1955年美国普林斯顿大学高级研究所科研情况（发表论文）：•1901年发表论文1篇•1902年发表论文2篇•1903年发表论文1篇•1904年发表论文1篇•1905年发表论文5篇测定分子的大小（博士论文）布朗运动相对论E＝mc2光子说1.相对论（狭义相对论SpecialRelativity）光是电磁波，是以太的波动＊理论上的困难麦克斯韦电磁理论作为相对性原理表达式的伽利略变换光速对不同参考系应不同，不应是同一个C值光速C是一个常数＊实验上的困难地球相对于以太运动吗？光行差现象：地球相对以太有运动ees光光镜筒指向下雨镜筒运动vv迈克尔逊实验：未测到以太漂移（1887年）M2M1观测者洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年）洛伦兹收缩2201cvLLx’=x-vty’=yz’=zt’=t221cvvtx2221cvxcvtx’=y’=yz’=zt’=洛伦兹变换伽利略变换洛伦兹的观点放弃相对性原理麦克斯韦电磁理论只对绝对空间正确（光相对绝对空间的速度是c）存在洛伦兹收缩用洛伦兹变换取代伽利略变换（两种变换不仅数学形式不同，而且物理解释也不同）1905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下光行差现象斐索实验（迈克尔逊实验）从相对论原理光速不变原理爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对，洛伦兹称其为相对论洛伦兹变换考虑相对论提出动尺收缩，动钟变慢，双生子佯谬，2mCE2、广义相对论（GeneralRelativity）1）狭义相对论的两个困难2）广义相对论的物理基础3）广义相对论的数学基础4）广义相对论的核心5）实验验证1）狭义相对论的两个困难惯性系无法定义万有引力定律纳不进相对论框架2）广义相对论的物理基础广义相对性原理等效原理马赫原理空间曲率平行线三角形三内角之和圆周率举例黎氏几何正无1800π球面欧氏几何零一条＝1800＝π平面罗氏几何负两条以上1800π伪球面欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切夫斯基）、黎氏几何3）广义相对论的数学基础:黎曼几何与张量分析4）广义相对论的核心场方程运动方程万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现行星绕日运动时空曲率物质物质使时空弯曲测地线方程（伽利略的有趣“错误”）地球上的自由落体运动都是惯性运动TRgR210222dsdxdsdxdsxdn5）实验验证引力红移、光线偏折、行星轨道近日点的进动3、膨胀的宇宙1915年广义相对论1917年爱因斯坦：有限无边均匀静态宇宙1922年弗利德曼：膨胀或脉动的宇宙1929年哈勃定律：V＝HD1948年α、β、γ的大爆炸模型（伽莫夫）1965年发现微波背景辐射（彭齐亚斯、威尔逊）1979年古斯（A.Guth）暴胀模型宇宙项：宇宙项（1917年提出，1923年放弃）TRgR2148CGgTgRgR21亮星0.5％重子4％中微子0.3％冷暗物质29％起源于λ动力学暗能量GR在宇观尺度失效物质暗物质与暗能量暗物质暗能量65％rGMm212mcr22cGM4、黑洞1）从牛顿理论预言（200年前，拿破仑时代）米歇尔（1783）拉普拉斯（1796）≥≤最亮的星有可能是看不见的(暗星)《天体力学》第一版（1796年）、第二版（1799年）、第三版（1808年）第三版中去掉“暗星”的预言原因：1801年托马斯·杨完成干涉实验，光的波动说（惠更斯）战胜微粒说（牛顿）神童、奇才－托马斯·杨（ThomsYoung）英国人2）从广义相对论预言＊1916年史瓦西解，史瓦西时空中的奇点与奇面＊1939年奥本海默从GR预言黑洞，r=(静态，球对称)（遭到爱因斯坦,爱丁顿，惠勒等人反对）当时已经发现白矮星（天狼B星）并已预言了中子星（1932年朗道）22cGM3）白矮星与中子星A、天狼星（大犬座α）天空中最亮的恒星，距我们9光年青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。操余弧兮反沦降，援北斗兮酌桂浆。－屈原九歌（七）东君老夫聊发少年狂，左牵黄，右擎苍。锦帽貂裘，千骑卷平冈。欲报倾城随太守，亲射虎，看孙郎。酒酣胸胆尚开张，鬓微霜，又何妨！持节云中，何日遣冯唐？会挽雕弓如满月，西北望，射天狼。－苏东坡江城子密州出猎＊1834年发现天狼星位置有周期性变化天狼B星是白矮星，密度175kg／cm3，表面温度1万度1862年发现天狼伴星（B星）白矮星靠电子间泡力斥力支撑。钱德拉塞卡：相对论性电子气；白矮星质量上限1.4M钱德拉塞卡与爱丁顿的争论，泡力的观点B、中子星与奥本海默极限中子的发现：约里奥·居里夫妇（1931年）查德维克（1932年）1935年的诺贝尔物理奖与化学奖中子的预言：1932年郎道中子星的质量上限2～3M：1939年奥本海默中子星(脉冲星)的发现1967年休伊士与贝尔巡天观测，“小绿人”C、主序星、白矮星、中子星与黑洞的比较星体半径(公里)密度(/cm3)发现时间质量上限（M）太阳70万～1克白矮星1万～1吨1862年（天狼伴星）1.4中子星10～10亿吨1967年（脉冲星）2～3黑洞3～100亿吨4）黑洞研究的高速发展（1963-1974）1961年Kerr解转动、轴对称时空1964年奇性定理1967年中子星的发现、无毛定理1971年面积定理1972年～1974年黑洞热力学1974年霍金辐射80年代后无重大进展A、黑洞热力学的建立（主要几步）①无毛定理，M，Q，J（1967年，伊斯雷尔等）②面积定理（1971年，霍金）③黑洞面积就是熵（1972年，贝根斯坦）δA≥0,即δS≥0Bekenstein公式：转动带电刚体：普通热力学④霍金等人反对，但给出黑洞力学四定律（1973年）⑤Unruh效应：在真空中做匀加速直线运动的观测者，发现自己处于热浴之中，T∝a⑥霍金辐射：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射，T∝KVdQdJdAKdM8VdQdJTdSdUPdVTdSdUB、关于奇点定理①黑洞与白洞的奇点、奇环，大爆炸宇宙的奇点②卡拉特尼可夫与栗弗席兹的错误③彭若斯的工作，奇点看作时间的开始与结束。（1964年）④霍金的工作，（彭若斯与霍金1969）奇性定理指出：时间一定有开始和结束。此定理极为重要，但可能未做到头，且首功属于Penrose.5、爱因斯坦、霍金在历史上的地位1）、爱因斯坦的成就SR、GR，统一场论？光子说、与哥本哈根学派的论战、爱因斯坦－玻尔统计、激光（受激辐射）2）霍金的成就：面积定理δA≥0霍金辐射（最重大成就）奇性定理（首功属于彭若斯）显示出相对论与热力学之间可能有本质的联系！建立黑洞热力学3）谁是最伟大的科学家20世纪初：谁是第二伟大的科学家？爱因斯坦？玻尔？20世纪中：爱因斯坦与牛顿并列，玻尔是本世纪最伟大的科学家之一。20世纪末：杨振宁认为：爱因斯坦、狄拉克、朗道美利坚哲学学会：爱因斯坦、狄拉克、杨振宁美国富兰克林学会：牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、杨振宁