第八章爱因斯坦的相对论

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1、一一.牛顿力学时空观牛顿力学时空观二二.迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验三三.真空中的光速真空中的光速四四.物理学家面临的选择物理学家面临的选择1.走进维谷的牛顿力学走进维谷的牛顿力学相对论好象是：相对论好象是：“光彩夺目光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。亮了广阔的未知领域。”德布罗意德布罗意伟大的科学家爱因斯坦伟大的科学家爱因斯坦走走 进进 维维 谷谷 的的 牛牛 顿顿 力力 学学绝对空间，就其本质来说，独立于外界绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。任何

2、事物，总是始终如一和静止不动的。牛顿牛顿绝对的，真正的和数学的时间自己流绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关的流逝着。界对象无关的流逝着。牛顿牛顿走走 进进 维维 谷谷 的的 牛牛 顿顿 力力 学学一一.牛顿力学时空观牛顿力学时空观由于人们把由于人们把“以太以太”选作绝对静止的参选作绝对静止的参照系，因此在照系，因此在1919世纪，人们热衷于寻找出地世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。球相对于以太的绝对速度。18811881年，美国人年，美国人迈克尔逊设计了一个实验，但是却得到迈克尔逊设计了一个实验，但是

3、却得到“0”0”结果，根据这一结果，结果，根据这一结果，“以太以太”显然显然是一厢情愿的设想，尽管此干涉仪以后不断是一厢情愿的设想，尽管此干涉仪以后不断改进，但结论却相同。改进，但结论却相同。走走 进进 维维 谷谷 的的 牛牛 顿顿 力力 学学二二.迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验走走 进进 维维 谷谷 的的 牛牛 顿顿 力力 学学根据麦克斯韦的电磁理论，光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”c”应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。矛盾。三三.真空中的光速真空中的光速要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么

4、彻底抛弃，建立新的释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。理论。四四.物理学家面临的选择物理学家面临的选择一一.爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)简介简介二二.爱因斯坦的狭义相对论爱因斯坦的狭义相对论三三.爱因斯坦的研究特色爱因斯坦的研究特色四四.狭义相对论被承认的曲折经历狭义相对论被承认的曲折经历五五.意义意义2.爱因斯坦的相对论爱因斯坦的相对论18791879年年3 3月，出生月，出生在德国的一个犹太家在德国的一个犹太家庭。父亲是小商人，庭。父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱后，成绩平平，但爱动脑筋，动脑筋，1212岁曾证明岁曾证明勾股定理。勾股定理

5、。18961896年，进入苏年，进入苏黎士工业大学。黎士工业大学。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论童年时的爱因斯坦童年时的爱因斯坦一一.爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)简介简介19051905年，发表了包括有狭义相对论的三篇文年，发表了包括有狭义相对论的三篇文章。章。19161916年，建立广义相对论。年，建立广义相对论。19331933年，受德国纳粹迫害，移居美国，任普年，受德国纳粹迫害，移居美国，任普林斯顿研究所研究员。林斯顿研究所研究员。19551955年年4 4月月1818日去世。日去世。19211921年，获诺贝尔物理奖。年，获诺贝尔物理奖。19131913年，任

6、柏林威廉皇家物理研究所所长兼年，任柏林威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。柏林大学教授。19021902年，任瑞士伯尔尼联邦专利局的检验员。年，任瑞士伯尔尼联邦专利局的检验员。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论1.爱因斯坦的两个基本假设爱因斯坦的两个基本假设19051905年年9 9月月,爱因斯坦爱因斯坦2626岁岁,在德国的在德国的“物物理学杂志理学杂志”发表了三篇文章，在文章中提出发表了三篇文章，在文章中提出了两个基本假设：了两个基本假设：1)1)狭义相对论的相对性原理狭义相对论的相对性原理 2)2)光速不变原理光速不变原理将革命性的时空观引入物理学，虽然它只将革命性的时空观

7、引入物理学，虽然它只具有最少的两个基本假设，但它与各种实验都具有最少的两个基本假设，但它与各种实验都符合。符合。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论二二.爱因斯坦的狭义相对论爱因斯坦的狭义相对论从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：2221,1xcvttvtxx表明了时间、空间与运动的不可分割的表明了时间、空间与运动的不可分割的联系，使牛顿力学得到推广，将时空观普遍联系，使牛顿力学得到推广，将时空观普遍化。化。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论2.由狭义相对论引出的观念的变化由狭义相对论引出的观念的变化同时性的相对性同时性的相对性长度与运动有

8、关长度与运动有关时间膨胀效应时间膨胀效应速度变换公式速度变换公式质速质速关系关系质能关系质能关系能量动量关系能量动量关系3.狭义相对论是基础牢固，逻辑结构严谨，形式狭义相对论是基础牢固，逻辑结构严谨，形式完美的物理理论，成为近代物理的支柱。完美的物理理论，成为近代物理的支柱。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论1.对经典理论的大胆怀疑对经典理论的大胆怀疑经过十年的思索经过十年的思索,首先看破以太首先看破以太,并最终并最终抛弃了以太抛弃了以太,也就是抛弃了绝对运动。也就是抛弃了绝对运动。马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。的怀疑态度和

9、独立性。爱因斯坦爱因斯坦爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论三三.爱因斯坦的研究特色爱因斯坦的研究特色相对论以最勇敢的物理相对论以最勇敢的物理理论而名扬于世。理论而名扬于世。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论2.博闻苦思，好学进取博闻苦思，好学进取“如果我以速度如果我以速度c c追随一条光线运动追随一条光线运动”，我应当看到什么现象我应当看到什么现象呢？呢？爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论1)16岁时岁时,爱因斯坦就思考爱因斯坦就思考年轻时的爱因斯坦2)爱因斯坦得知迈克尔逊所测得的零结果，爱因斯坦得知迈克尔逊所测得的零结果，想想:“若零结果是事实，那地球相对

10、以太运动若零结果是事实，那地球相对以太运动的想法就是错误的的想法就是错误的!”3)爱因斯坦读了洛仑兹爱因斯坦读了洛仑兹1895年的论文，认为其年的论文，认为其方程若成立，必然导致光速不变的概念。方程若成立，必然导致光速不变的概念。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论4)爱因斯坦认为爱因斯坦认为:“若光速不变成立，则将出现同若光速不变成立，则将出现同时性的相对性。时性的相对性。”就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。了四维空间。电磁感应的现象迫使我假设电磁感应的现象

11、迫使我假设(狭义狭义)相对相对性的原理，必须克服的困难在于真空中光速性的原理，必须克服的困难在于真空中光速的不变性。的不变性。爱因斯坦爱因斯坦爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论3.追求科学理论的和谐与自然：认为科学理论追求科学理论的和谐与自然：认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。学应当对称和

12、谐。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论爱因斯坦在总爱因斯坦在总结回忆时说：结回忆时说：“它它象在爬山一样，越象在爬山一样，越是往上爬，越是得是往上爬，越是得到宽广的视野，并到宽广的视野，并且越能显示出我们且越能显示出我们的出发点与其周围的出发点与其周围广大地域之间的出广大地域之间的出乎意外的联系。乎意外的联系。”爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论1.普遍读不懂，不理解普遍读不懂，不理解在法国，在法国，19101910年几乎没有人提到爱因斯坦。年几乎没有人提到爱因斯坦。J JJ J汤姆逊汤姆逊19091909年：年：“以太对我们来说，以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不

13、可缺少。就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉马吉19111911年：年：“我相信，现在没有一个我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。活着的人会断言，时间会是速度的函数。”爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论四四.狭义相对论被承认的曲折经历狭义相对论被承认的曲折经历2.普朗克支持：普朗克支持：“如果相对论是正确的，爱因斯如果相对论是正确的，爱因斯坦就是坦就是20世纪的哥白尼。世纪的哥白尼。”并发表了爱因斯坦并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现!19061906年，考夫曼得出了否定相对论的结果，年，考夫曼得出了否定

14、相对论的结果，相对论受到考验！但相对论受到考验！但19071907年，爱因斯坦发表文年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。章，坚信相对论是正确的。4.天才的预见，相对论成功了。天才的预见，相对论成功了。3.实验验证实验验证爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论19161916年年,爱因斯坦又完成了广义相对论，爱因斯坦又完成了广义相对论，提出了三大天文效应，其中之一，引力场将提出了三大天文效应，其中之一，引力场将使星光弯曲。使星光弯曲。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论太阳太阳星星19191919年，英国人年，英国人爱丁顿，率领一支考爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食察队

15、，利用日全食,观察到这一现象，并观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界的成功震惊了世界!爱丁顿像爱丁顿像爱因斯坦成为公爱因斯坦成为公众瞩目的人。众瞩目的人。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论*小插曲：小插曲：19051905年爱因斯坦写的相对年爱因斯坦写的相对论文稿只有三页，当时可论文稿只有三页，当时可以说一文不值，以说一文不值，19361936年，年，却价值连城，卖了却价值连城，卖了400400万美万美元，武装了一支支援西班元，武装了一支支援西班牙反对法西斯独裁的军队牙反对法西斯独裁的军队。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论这几年在黑暗

16、中焦虑这几年在黑暗中焦虑的探索，热切地渴望，时而充的探索，热切地渴望，时而充满自信，时而精疲力竭，而最满自信，时而精疲力竭，而最后终于看到了光明！后终于看到了光明！爱因斯坦爱因斯坦爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论爱因斯坦像爱因斯坦像1.使牛顿的理论二百多年来第一次得到修正，使牛顿的理论二百多年来第一次得到修正，牛顿力学成为相对论的一个分支。牛顿力学成为相对论的一个分支。2.使人们对质量、能量、时间、空间、速度等使人们对质量、能量、时间、空间、速度等物理量有了一个全新的认识。物理量有了一个全新的认识。3.质能关系式质能关系式E=mc2为核能的开发利用奠定了基础。为核能的开发利用奠定了基础。4.象征着人类在探索自然过程中登上的一座高峰。象征着人类在探索自然过程中登上的一座高峰。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论五五.意义意义一个以伟大的创造性观念造福于世一个以伟大的创造性观念造福于世界的人，不需要后人的赞扬，他的成就界的人，不需要后人的赞扬，他的成就本身就已给了他一个更高的报答。本身就已给了他一个更高的报答。爱因斯坦爱因斯坦爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论19551955年年4 4月月1818日，由于大动脉破裂，爱因斯坦日，由于大动脉破裂，爱因斯坦去世。去世。爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论