爱因斯坦与相对论

•1905年：–爱因斯坦在德国《物理学年鉴》中发表5篇文章，其中3篇有划时代成就。–一篇关于“光电效应”，由于这篇文章，爱因斯坦在1921年获诺贝尔奖。–第二篇，关于“布朗运动”，爱因斯坦第一个用数学方法解释“布朗运动”。–第三篇，“论动体的电动力学”提出“相对论”。他从同时性的相对性为突破口，建立全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形态。•相对论：–1905年发表狭义相对论–1908年10月，任编外讲师职务–1912年任教授–1913年任威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。–1916年在老同学格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何完成了“广义相对论”。•早在16岁时，爱因斯坦就想一个问题：如果一个人以光速运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？电磁波是不是就像凝固了那样静止不动了呢？智慧源于问题•伽利略相对性原理：所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的。换句话说，在一个以不变的速度运动着的封闭房间内做的任何实验，都不能告诉你你是在静止还是在运动。•实验：–在飞机上倒水。–在匀速行驶的火车上，你向前、向后行走。•伽利略相对性原理：所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的。–根据伽利略相对性原理：球相对乙的速度：V2球相对甲的速度：V1+V2V1V2甲乙•伽利略相对性原理：所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的。–根据伽利略相对性原理：光相对乙的速度：V1=C光相对甲的速度：V1+V2=1.25C（光速是物质运动的极限速度）V1=0.25CV2甲乙•伽利略相对性原理：所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的。–根据伽利略相对性原理：光相对乙的速度：V2-V1=0.75C光相对甲的速度：V2=CV1=0.25CV2甲乙•伽利略相对性原理：所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的。–根据伽利略相对性原理：光相对甲的速度：V2=C光相对乙的速度：V2-V1=0.001C（光束相对乙接近静止不可思议的状况）V1=0.999CV2甲乙•电动力学的麦克斯韦理论预言:电磁场中的任何扰动，比如一个带电物体运动引起的扰动，一定会作为一个波以C（光速）通过电磁场向外传播。•爱因斯坦预言：麦克斯韦理论像一切其他自然定律一样，也服从相对性原理。由于光速是嵌在麦克斯韦理论中，爱因斯坦得出结论：每一个观察者都应该观察到每一束光都以速度C运动，无论观察者状态如何。（光速不变原理）伽利略相对性原理+麦克斯韦理论狭义相对论的两个基本原理相对性原理：任何不做加速运动的观察者都观察到同样的自然定律。光速不变原理：真空中的光速（和其他电磁辐射的传播速度）对一切不做加速运动的观察者都相同，不论光源或观察者是否运动。矛盾•时间的相对性：–如果你不问我时间是什么，我对它倒还能够意会，你一问起我，我就不知道怎么言传了？----奥古斯定，公元400年–我不对时间、空间、地点和运动下定义，因为它是人人都熟知的。----牛顿•理想实验：–光钟：150000千米两面镜子•理想实验：乙乙乙乙甲VT=秒T=秒T=秒0000.250.250.50.50.510.750.751.5112•理想实验：运动是相对的乙甲T=秒甲甲甲T=秒T=秒0000.50.250.2510.50.51.50.750.75211•运用毕达哥拉斯定律导出时间延缓公式：T0CTCTS(TC)2=(TS)2+(T0C)2T=T0/(1-S2/C2)1/2T0：静止状态下的时间T：运动状态下的时间S：相对运动速度C：光速T=T0/(1-S2/C2)1/2T0：静止状态下的时间T：运动状态下的时间S：相对运动速度C：光速相对光速观察者测得相对于他运动的时钟时间长度10-51.0000000000510-31.00000050.11.0050.251.030.51.150.751.50.92.30.997.10.99922.4返回•课堂提问：–现在你我各养一只青蛙，青蛙的寿命都是10天（静止状态）。–如果你是以0.75光速从我身边经过，在你看来：你的青蛙活了几天？我的青蛙活了几天？判断一下在我看来：你的青蛙活了几天？我的青蛙活了几天？•时间的相对性：–时间是人们从时钟上测量出来的！！！–时间是物理的，是物理世界的一部分，而不是物理世界之外的或超乎物理世界之上的。–时间是人们在时钟上测量出来的物理量。•实践是检验真理的唯一标准：迈克尔逊－莫雷实验探寻“以太”太阳地球地球绕日公转速度是：30公里/秒•实践是检验真理的唯一标准：究竟是时间绝对还是速度绝对？？？迈克尔逊－莫雷实验探寻“以太”•我们是怎么知道的？–μ粒子有寿命，会蜕变为别的粒子，观测静止的μ粒子寿命只有2.2微秒，当它快速运动时，它的寿命会延长，当达到99%光速时，它的寿命延长到7.1倍，达到15.6微秒。–把原子钟放置在喷气式飞机上饶地飞行一周，理论预言相差只有一秒的几分之一，事实与理论预言的完全一样。•实践是检验真理的唯一标准：•假设：你的母亲乘坐99.9%光速的飞船到织女星（距地球26光年）上呆了3年再回来；假如你母亲离开你时你只有5岁，你母亲是30岁。问：当你母亲回来时，你有多大？你母亲又多大？答案：你有60岁，你母亲只有35.3岁时间表•空间的相对性：空间是用尺子量出来的．–例如桌子：静止状态只要量一下桌子两端．运动状态两端位置测量必须同时进行．•同时性的相对性：–如果是静止状态，Ａ，Ｂ两端同时闪电，中点Ｍ处应当同时看到闪电．但整个系统在向右运动，这时，处在Ｍ处的观察者是先看到Ｂ处的闪电，再看到Ａ处的闪电．ＡＢＭＬ=Ｌ0(1-S2/C2)1/2Ｌ0：静止状态下的长度Ｌ：运动状态下的长度S：相对运动速度C：光速•空间的相对性：空间是用尺子量出来的．–这就意味着一个运动物体的长度测量同时间问题搅在一起，时间是相对的，空间也是相对的．S'=(S+S)/(1-SS/C2)S：小球相对与乙的速度S：火箭相对与甲的速度S'：相对运动速度C：光速•速度的相对性：–由于物体的运动速度不能超过光速．乙甲0.7５C0.7５CV=?0.87Cm=m0/(1-s/c2)1/2m：运动质量m0：静止质量S：相对运动速度C：光速•质量的相对性：–根据牛顿第二定律,F=Ma.如果使用一个恒力作用一个物体，物体的速度最后会超过光速．–一个物体的质量随其速度的增大而增大。•我们是怎么知道的？–一个亚原子在超过0.99光速下，质量增加几千倍，通过对亚原子施加电力或磁力，测量其曲率。–测量表明，与相对论预言一致。•实践是检验真理的唯一标准：•能量有质量，质量有能量–爱因斯坦预言：你给物体任何形式的能量，它的质量都会增加。给予一个物体的质量的大小等于给予这个物体能量的大小除以光速的平方。∆E=∆mC2∆E：总能量∆m：总质量C：光速•我们是怎么知道的？–物理学家发现另外三种实物粒子（反质子、反中子、反电子）。如果反粒子与对应的粒子相撞，则会完全消失而产生高能辐射（物体湮没）。•实践是检验真理的唯一标准：爱因斯坦与相对论•相对论：–爱因斯坦的相对论推广到引力场中，指出引力场相当于一个非惯性系。在一个封闭房间里，人们对一个物体是正被加速，还是正处在引力场中原则上无法作出区分。这一原则被称为等效原则。–广义相对论还指出：由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲，引力场实际上是一个弯曲的空间。•广义相对论：•广义相对论：a=9.8m/s2地面两者等效•广义相对论：•广义相对论：a=很大m/s2光光光•引力让光线弯曲地球太阳我们习惯上用光线定直线，现在光线弯曲，表示空间弯曲。•相对被实证：–水星近日点的进动。–引力红移–光弯曲•相对论：–爱因斯坦自己讲：•狭义相对论的成就可以表征为一般的指出了普遍常数c(光速)在自然规律中所起的作用。•广义相对论中，“等效原理”即引力场与加速度系的等效是关键。•相对论：–对数学简单性的追求是爱因斯坦相对论的动机。他在一次报告中讲：相对论是从逻辑经济上来改善世纪交替时所存在的物理学基础而产生的。希腊时代的毕达格拉斯学派所倡导的追求“宇宙的数学和谐”的精神，是西方科学最具支配作用的基因。带动近代科学诞生的哥白尼和开普勒的工作，均归于这一希腊精神的弘扬。•相对论：–爱因斯坦在纪念开普勒的文章中写道：“我们在赞赏这位卓越的人物的同时，又带着另一种赞赏和敬仰的感情，但这种感情的对象不是人，而是我们出生于其中的自然界的和谐。古代人已经设计出一些曲线，用来表示最简单的可想象形式，在这中间，除了之线和圆之外，最重要的是椭圆和双曲线。我们看到，这最后两种在天体的轨道中体现出来---至少非常近乎如此。这好像是说：在我们还未能在事物中法发现形式之前，人的头脑应当先独立的把形式构造出来。开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个美妙的例子：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发现同观测到的事实两者比较中得出。”