相对论简介(1).ppt

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1、相对论简介相对论简介科学的旗手科学的旗手爱因斯坦爱因斯坦少年时代(AlbertEinstein)1879年3月14日出生在德国西南的乌耳姆城，父母都是犹太人。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，曾带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴，可是直到九岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。爱因斯坦在念小学和中学时，功课属平常。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。教他希腊文和拉丁文的老师对他更是厌恶，曾经公开骂他：“爱因斯坦，你长大后肯定不会成器。”而且因为怕他在课堂上会影响其他学生，竟想把他赶出校门。爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的

2、联邦工业大学工程系，可是入学考试却告失败。他接受了联邦工业大学校长以及该校著名的物理学家韦伯教授的建议，在瑞士阿劳市的州立中学念完中学课程，以取得中学学历。爱因斯坦还幸运地从一部卓越的通俗读物中知道了自然科学领域里的主要成果和方法，科普读物不但增进了爱因斯坦的知识，而且拨动了年轻人好奇的心弦，引起他对问题的深思。1896年10月，爱因斯坦跨进了苏黎世工业大学的校门，在师范系学习数学和物理学。爱因斯坦充分的利用学校中的自由空气，把精力集中在自己所热爱的学科上。在学校中，他广泛的阅读了赫尔姆霍兹、赫兹等物理学大师的著作，他最着迷的是麦克斯韦的电磁理论。他有自学本领、分析问题的习惯和独立思考的能力。

3、早期工作 1900年，爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业。他找不到工作，靠做家庭教师和代课教师过活。在失业一年半以后，关心并了解他才能的同学马塞尔格罗斯曼向他伸出了援助的手。格罗斯曼设法说服自己的父亲把爱因斯坦介绍到瑞士专利局去作一个技术员。1902年2月21日，爱因斯坦取得了瑞士国籍，并迁居伯尔尼，等待专利局的招聘。1902年6月23日，爱因斯坦正式受聘于专利局，任三级技术员，工作职责是审核申请专利权的各种技术发明创造。1903年，他与大学同学米列娃.玛丽克结婚。初期科研情况 1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在三月到九月这半年中，利用在专利局每天八小时工

4、作以外的业余时间，在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。1901年1篇论文1902年2篇论文1903年1篇论文1904年1篇论文 1905年年爱因斯坦的丰收年爱因斯坦的丰收年4月：博士论文测定分子大小的新方法（4月发表）6月：论动体的电动力学 狭义相对论（9月发表）3月：解释光电效应光子说（6月发表）该论文获1921年诺贝尔物理学奖9月：E=mc2（11月发表）5月：解释布朗运动（7月发表）科学的旗手科学的旗手爱因斯坦爱因斯坦19091914 进入大学工作 （苏黎世、布拉格等地）19141933 柏林大学教授、德国

5、物理研究所所长、院士1916 提出广义相对论19331955 美国普林斯顿大学高级研究所研究员1955.4.18 逝世漫长艰难的探索漫长艰难的探索广义相对论建成后，爱因斯坦依然感到不满足，要把广义相对论再加以推广，使它不仅包括引力场，也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段，即统一场论。1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。开头几年他非常乐观，以为胜利在望；后来发现困难重重，他认为现有的数学工具不够用；1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法，但都没有取得具有真正物理意义的结果。1925年1955年这30年中，除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问

6、题以外，爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。爱因斯坦曾经说过：“我自己不过是自然的一个极微小的部分”，他把一切献给了人类从自然界获得自由的征程，最后连自己的骨灰也回到了大自然的怀抱。但是正如英费尔德第一次与他接触时所感受到的那样：“真正的伟大和真正的高尚总是并肩而行的”，爱因斯坦的伟大业绩和精神永远留给了人类。成功的秘诀有一次，一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘决。他回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是A=X+Y+Z!A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！这公式对我有用，我想对许多人也

7、是一样有用。”相对论简介 19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑光速问题黑体辐射两朵乌云量子力学相对论 经典的相对性原理经典的相对性原理 如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。早在1632年，伽利略就已经在关于两个世界的对话一书中指出：在一艘平稳

8、行驶的大船里，无法通过船上得到的物理规律与地面得到的规律的比较，来判断大船是否在行驶。力学规律在任何惯性系中都是相同的。这个论述叫做伽利略相对性原理 矛盾之二：光速问题对惯性系S，光源发出的光速是c对惯性系S，光源发出的光速是c-v若惯性系S相对于S以速度v 运动为什么电磁规律对两个惯性系不一样了呢？麦克斯韦的电磁理论中“电磁波的速度是c”是对所有事物或惯性参考系得出的结论，而不是只应用于某个具体事物或惯性参考系。为什么呢？为什么呢？?麦克耳孙一莫雷实验1887年的麦克耳孙-莫雷实验得到的结果：不论光源与观察者不论光源与观察者做怎样的相对运动，做怎样的相对运动，光相对于观察者的光相对于观察者的

9、速度都是一样的速度都是一样的!是经典相对性原理有问题，还是麦克斯韦电磁是经典相对性原理有问题，还是麦克斯韦电磁理论出了毛病理论出了毛病？狭义相对论简介狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的到目前为止，这两个基本原理的所有推论都与事实相符，这就证明了它的正确性狭义相对论简介 根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此，对不同的观察者来说，“同时”是相对的光源我看到闪光到达车厢的前壁和后壁是“同时”的我看到闪光先到达后壁，后到达前壁到底是谁错了？同时的相对性狭义相对论简介MMN N我在同时测量M、N

10、两点的坐标！你为什么对N端读数早、对M端读数迟呢？长度的相对性长度的相对性长度的相对性长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小又是谁错了？t1t1t2t2时间间隔的相对性时间间隔的相对性时间间隔的相对性：从地面上观察，飞船上的时间比地面上慢狭义相对论简介狭义相对论简介时钟变慢长度缩短孪生子佯谬小 结飞船速度飞船速度与光速百与光速百分比分比飞船中飞船中1小时的分小时的分钟数钟数地球上地球上1小时的小时的分钟数分钟数060.0060.002058.7060.004055.0060.006048.0060.008036.0060.009026.1060.009518.716

11、0.00998.5360.0099.92.7860.0099.9971.1760.00100060.00孪生子佯谬一台以反物质为燃料的时间机器，如果它以接近光速的速度向银河系中央飞去，那么它将用21年的时间抵达目的地，而根据相对论原理，地球上的时间在此期间却已过去了3万年。一对孪生子中的一个进行星际旅行，另一个则呆在地球上。作为宇航员的哥哥乘飞船高速飞离地球，当他返回地球时，他比呆在地球上的弟弟年纪要小。狭义相对论的其它结论狭义相对论的其它结论E=mc2E=mc2相对论速度相对论速度变换公式变换公式相对论相对论质量质量质能方程质能方程质能方程质能方程一定的质量相对一定的质量相对应于一定的能量应

12、于一定的能量相对论质量是相对论质量是能量的量度能量的量度 如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系在不同参考系中观察物体的运动情况非惯性系和惯性系结果会相同吗？非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系 以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动光滑表面非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系加速运动的加速运动的列车是个非列车是个非惯性参考系惯性参考系为了让牛顿定律在为了让牛顿定律在非惯性系中能够成非惯性系中能够成立，引入惯性力立，引入惯性力光滑表面非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系牛顿第二定律的表达式牛顿第二定律的表达式惯性力

13、的定义式惯性力的定义式 “”号表示惯性力的方向与非惯号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反性系的加速度方向相反注意不注意不要混淆要混淆非惯性系和惯性系以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重2121世纪，人类在空间站世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度，指向转动轴的向心加速度，因此，以空间站为参考系，因此，以

14、空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力这就是所谓的人造重力非惯性系和惯性系非惯性系和惯性系地球地球无地球无地球爱因斯坦密封仓实验爱因斯坦密封仓实验 仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还是非惯性系是非惯性系实验结果实验结果:仓内所有物体都会自由下落仓内所有物体都会自由下落,下落的下落的 加速度与物体属性无关加速度与物体属性无关.他对实验解释他对实验解释:仓是惯性系仓是惯性系:自由下落是地球引力场造成自由下落是地球引力场造成-引力效果引力效果 仓是非惯性系仓是非惯性

15、系:自由下落是仓在太空中向上加速飞行造成自由下落是仓在太空中向上加速飞行造成 -惯性力效果惯性力效果结论结论:通过力学实验不能区分仓是惯性系还是非惯通过力学实验不能区分仓是惯性系还是非惯 性系性系.如果任何物理实验都不能区分仓是惯如果任何物理实验都不能区分仓是惯 性系还是非惯性系性系还是非惯性系 引力和惯性力是等效的（等效原理）引力和惯性力是等效的（等效原理）如果爱因斯坦仓在一个恒星表面附近自由下落如果爱因斯坦仓在一个恒星表面附近自由下落,以以此仓为参照系此仓为参照系,内部空间的引力与惯性力刚好抵消内部空间的引力与惯性力刚好抵消,无无需引入任何看不到来源的力，牛顿第二定律完全适用需引入任何看不

16、到来源的力，牛顿第二定律完全适用真正的惯性系真正的惯性系考虑到完全空间引力场的不均匀性，上面应该称为考虑到完全空间引力场的不均匀性，上面应该称为 局域惯性系局域惯性系惯性质量和引力质量惯性质量和引力质量地面静止加速飞行加速飞行引力和惯性力都可引力和惯性力都可以使物体加速下落以使物体加速下落引力质量引力质量惯性质量惯性质量广义相对论简介广义相对论简介牛顿第二定律的表达式牛顿第二定律的表达式惯性力的定义式惯性力的定义式 “”号表示惯性力的方向号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反与非惯性系的加速度方向相反注意不注意不要混淆要混淆 “m”应该叫做惯性质量应该叫做惯性质量惯性质量和引力质量惯性质

17、量和引力质量 事实上，到目前为止的一切事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别，这向我们引力质量之间的差别，这向我们提示：加速运动的参考系和万有提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深引力，二者之间可能存在某种深刻的联系刻的联系惯性力是参照系运动特征，是惯性力是参照系运动特征，是“不真实的不真实的”，因，因为等效，引力是否可以认为也是为等效，引力是否可以认为也是“不真实的不真实的”？爱因？爱因斯坦作出肯定的回答，引力也只不过是空间和时间的斯坦作出肯定的回答，引力也只不过是空间和时间的特征特征引力和惯性力不可区分引力和惯性

18、力不可区分惯性系和非惯系不可区分惯性系和非惯系不可区分广义相对论简介广义相对论简介狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的惯性不同的惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真空中的光速在不同惯速在不同惯性参考系中性参考系中都是相等的都是相等的 一个均匀的引一个均匀的引力场与一个做力场与一个做匀加速运动的匀加速运动的参考系等价参考系等价更进一步等等效效原原理理光光速速恒恒定定爱因爱因斯坦斯坦相对相对性原性原理理广义广义相对相对性原性原理理等效原理和广义相对性原理是

19、广义相对论的等效原理和广义相对性原理是广义相对论的两个基本原理两个基本原理预言与实验验证预言与实验验证:引力使光线偏析引力使光线偏析(日全食的星体视位置偏离日全食的星体视位置偏离)引力使空间弯曲引力使空间弯曲(雷达回波延迟雷达回波延迟)引力使时间延缓引力使时间延缓(引力红移引力红移)广义相对论简介 广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论广义相对论简介广义相对论简介广义相对论简介 在一个引力可以忽在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物录光的径迹是一条抛物线线半半透透明

20、明屏屏光源等效原理等效原理物体的引力能使光线弯曲物体的引力能使光线弯曲 假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响广义相对论简介广义相对论简介通常物体的引力场都太弱，通常物体的引力场都太弱，2020世纪只能观测到太阳世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲引力场引起的光线弯曲太阳太阳太阳太阳由于太阳由于太阳引力场的作引力场的作用，我们有用，我们有可能观测到可能观测到太阳后面的太阳后面的恒星，最好恒星，最好的观测时间的观测时间是发生日全是发生日全食的时候食的时候1919

21、1919年年5 5月月2929日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实广义相对论简介广义相对论简介星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应种现象叫做引力透镜效应星体星体无法观测黑洞宇宙中很可能存在黑洞，宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强极小的体积使其附近产生极强的

22、引力场，引力透镜是探索黑的引力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一洞的途径之一时间间隔与引力场有关时间间隔与引力场有关时间间隔与引力场有关时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间不同位置的时间进程引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别出现差别出现差别出现差别 对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在了转动轴的位置外，各点都在了转动轴的位置外，各点都在了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，做加速运动，越是靠近边缘，做加速运动，越是

23、靠近边缘，做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心加速度越大，方向指向盘心加速度越大，方向指向盘心加速度越大，方向指向盘心 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢靠近边缘部位的时间进程较慢 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢各类星体对比宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，

24、那里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移时间间隔与引力场有关引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别出现了差别 地面上看到：地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为：圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短引力势较低的位置，杆的长度越短杆的长度与引力场有关杆的长度与引力场有关引力势引力势由高到由高到低变化低变化杆的长度与引力场有关 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：

25、对于时空观的认识对于时空观的认识物质本身的存在决物质本身的存在决定时空的性质定时空的性质时空性质和物时空性质和物质的运动有关质的运动有关狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论惯性系平权惯性系平权所有参考系平权所有参考系平权时时空空观观光速恒定光速恒定等效原理等效原理广义相对论与几何学广义相对论与几何学 几何学反应的是人对空间关系的认识有史以几何学反应的是人对空间关系的认识有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类产生和发展了欧几里得几何学，它反映了平直人类产生和发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何非欧几何 作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用谢谢