相对论的发展

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第八章 相对论的发展

教学目的与要求:掌握:狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的;广义相对论的实验验证情况。熟悉:绝对时空观的困难;爱因斯坦的生平。

教学重点,难点:狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的;广义相对论的实验验证情况。

教学内容:

§1.相对论先驱者的思想

一 洛仑兹的收缩假说

迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”在最初人们并没有因此否定静止以太的存在,反而认为是实验可能失败了。或力图对实验结果作出种种解释。其中最具代表性的理论假说是荷兰物理学家洛仑兹的收缩假说。

1.洛仑兹(H.A.Lorenzt)

1853年7月生于荷兰。1870年考入莱顿大学,主攻数学、物理学和天文学,1875年12月获得博士学位,1877年被乌得勒支大学聘为数学教授,同年莱顿大学授予他荷兰唯一的理论物理学教授席位(24岁)。1912年洛仑兹辞去莱顿大学教授职务,去政府部门任高等教育部部长。他创立了电子论,首次把以太和普通物质分开,1895年提出著名的洛仑兹力公式。他将经典电磁场理论发展到了最后的高度,为相对论的诞生创造了条件。他因其电子论对塞曼效应进行了定量解释,与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖。

2.长度收缩假说的提出

1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运动》,用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验。他认为运动物体在其运动方向上的收缩,抵消了地球在以太中运行所造成的光程差,所以观察不到预期的条纹移动。他写到:“我终于想出唯一的方法来调和它与菲涅耳的理论:连接一个固体上的两点连线,如果开始平行于地球运动的方向,当它转过90℃后就不能保持原来的长度。如果令后一个位置的长度为L ,则前一个位置的长度为L(1-α)。”其中α=v2/2c2 。1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为

22

1c

v ? 洛仑兹一直认为这种收缩是真实的,是由分子运动引起的。这与爱因斯坦提出狭义相对论有本质区别。

3. 一级近似的解释及地方时

洛仑兹的上述收缩假说只涉及到v 2/c 2的这种二级近似。1895年,洛仑兹发表了《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》,提出了地方时概念,他对麦克斯韦方程组施加了一种变换。其中时间t 变为“当地时间” t′=t–(v/c2)x ,电场E 变换为E′=E+v×B/c ,磁场B 变换为B′=B-v×E/c ,结果发现麦克斯韦电磁场方程组的形式不变。由此证明其收缩假说可以准确到v/c 一阶范围。这样就解释了迈克尔逊—莫雷实验。

“当地时间”t’=t–(v/c 2)x ,指在物体上的测得的时间,它与坐标系的平移速度有关。它表明,好象在运动坐标系上的时钟走慢了。洛仑兹认为地方时只不过是一个数学假设,不具有真实的物理意义,而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。与此相反,爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间,地方时才是唯一真实的时间。

4.实验验证的失败

①按照洛仑兹的长度收缩假说,物体的密度在不同的方向上会有所不同,这样光通过它

时会产生双折射。1902年瑞利、1904年布雷斯先后进行了实验,未发现双折射现象。

②根据洛仑兹理论,若电容器的极板与地球的运动方向成一夹角,当电容器充电时,其极板会受到一转动力偶矩的作用,1903年特劳顿和诺布尔作了实验,结果也是否定的。这些实验都是二阶效应,说明在二阶近似的条件下,也发现不了地球运动对电磁现象的影响,仅用“长度收缩”假说难以说明问题。

5.彭加勒的批判

洛仑兹认为,上述变换中的t’、E’、B’都不是真实的物理量,只是某种辅助量。另外,一级近似下的解释采用了一种对速度v 线性相关的变换不变性,而二级近似下的解释,则完全撇开这种不变性,需要再回到伽利落变换,再引进收缩假说。这种人为性和逻辑上的不自洽性,使这套理论显的很不自然。

法国科学家彭加勒批评说:“如果为了解释迈克尔逊—莫雷实验的否定结果,需要引进新的假说,那么每当出现新的实验事实时,同样也发生这种需要。无疑的,对每一个新的实验结果创立一种假说这种做法是不自然的。”洛仑兹接受了这种批评,希望“能够利用某些基本假定,并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量,来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关”。

6.洛仑兹变换的提出

1904年,洛仑兹发表了《速度小于光速运动系统中的电磁现象》,提出了决定时空变换的法则,在此基础上, 1906年彭加勒写出了“洛仑兹变换”式:

???

?????===?=)(''')('2x c v t l t lz z ly y vt x l x ββ2211v c ?=β式中: l 为速度v 的函数

7.洛仑兹的长度收缩假说与爱因斯坦的狭义相对论的不同

洛仑兹的理论是以静止以太为出发点,在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论;而爱因斯坦的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原理性”理论。

可以说,洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以及他最早形成的关于物质质量随其运动速度增加的思想,都已包含了狭义相对论的基本内容,为爱因斯坦创立狭义相对论创造了条件。

二 彭加勒的观点

彭加勒(J.H.Poincare):法国数学家、物理学家和哲学家,1854年4月生于法国南锡,1871年进入巴黎工艺学院,毕业后又进入国立矿业学院学习。1879年获数学博士学位,同年任卡昂大学数学教师,1881年起任巴黎大学教授。1887年当选为巴黎科学院院士,1906年任该院院长,1908年当选为法国科学院院士。1912年7月逝世。

①1895年对洛仑兹的“长度收缩”假说的批评。

②1905年发表论文《论电子动力学》,给洛仑兹理论以更简洁的形式,并将其时空变换命名为洛仑兹变换。

③1898年发表论文《时间的测量》,首次提出光速在真空中不变的公设,认为没有这一公设,就无法测量光速;在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。

④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的,只有相对运动才有意义。

⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”:“任何系统的运动应当遵守

同样的定律,不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”。

⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破,他说:“也许我们还要构造一种全新的力学,我们只不过是成功的瞥见了它,在这种力学中,惯性随着速度而增加,光速会变为不可逾越的极限。通常比较简单的力学可能依然是一级近似,因为它对不太大的速度还是正确的,以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。”

在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了一段他和爱因斯坦的一次谈话,英费尔德说“在我看来,即使您没有建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久。因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。”爱因斯坦回答说:“是的,这说的对。”

⑦彭加勒的局限:

遗憾的是,彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性,没能迈入相对论的殿堂。直到临终,他还对洛仑兹补偿理论的精神实质充满信心。他的相对性原理是作为一个“普遍的自然定律”提出来的,他期待有一种理论能解释或证明它。而狭义相对论中爱因斯坦则把相对性原理提升为公设,其中差别显而易见。

§2 爱因斯坦的狭义相对论

1905年9月,德国《物理杂志》上发表了一篇划时代的论文--《论动体的电动力学》,从此狭义相对论创立了。其作者就是当时任瑞士专利局三级技术员的爱因斯坦。

一爱因斯坦生平

1.早期的爱因斯坦(1905年之前):

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert.Einstein)1879年3月14日出生于德国,一年后全家迁居慕尼黑。小学和中学时,功课一般,但由于他举止缓慢,不爱同人交往,老师和同学都不喜欢他。1896年10月,爱因斯坦进入苏黎世工业大学师范系学习数学和物理学。期间他广泛阅读了赫尔姆霍兹、麦克斯韦及赫兹等物理学大师的著作。他有自学本领、分析问题的习惯和独立思考的能力。1900年,爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业。由于找不到工作,靠做家庭教师和代课教师生活。在失业一年半以后,在同学马塞尔·格罗斯曼的父亲的帮助下,爱因斯坦到瑞士专利局去作了一个技术员。

这段工作经历对爱因斯坦非常有益。“它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用”。

1900~1904年,爱因斯坦每年写出一篇论文,发表于德国《物理学杂志》。头两篇是关于液体表面和电解的热力学,企图给化学以力学的基础,以后发现此路不通,转而研究热力学的力学基础。1901年提出统计力学的一些基本理论,1902~1904年间的三篇论文都属于这一领域。

1904年的论文认真探讨了统计力学所预测的涨落现象,发现能量涨落取决于玻尔兹曼常数。它不仅把这一结果用于力学体系和热现象,而且大胆地用于辐射现象,得出辐射能涨落的公式,从而导出维恩位移定律。涨落现象的研究,使他于1905年在辐射理论和分子运动论两方面同时做出重大突破。

2.爱因斯坦发明的第一个高峰----狭义相对论的建立

①1905年3月,爱因斯坦将论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》送给了德国《物理年报》,论文中爱因斯坦把普朗克1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说。认为:对于时间平均值,光表现为波动;而对于瞬时值,光则表现为粒子性。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即光的波粒二象性。

在这文章的结尾,他用光量子概念轻而易举的解释了经典物理学无法解释的光电效应,推导出光电子的最大能量同入射光的频率之间的关系。这一关系10年后由密立根给予实验

证实。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现” 而获得诺贝尔物理学奖。

1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》,5月完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这是两篇关于布朗运动的研究的论文。爱因斯坦当时的目的是要通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动,来测定分子的实际大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。

三年后,法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测。从而无可非议的证明了原子和分子的客观存在,这使最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论的创始人奥斯特瓦尔德于1908年主动宣布:“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论”。

②1905年6月,爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长论文《论运体的电动力学》,完整的提出了狭义相对论。解决了19世纪末出现的经典物理学的危机,改变了牛顿力学的时空观念,创立了一个全新的物理学世界。

③1905年9月,爱因斯坦写了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,作为相对论的一个推论。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础,也为20世纪40年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。

1912年,爱因斯坦回到苏黎世母校工作。在他的同班同学、母校任数学教授的格罗斯曼帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。经过一年的合作,他们于1913年发表了重要论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论。首次把引力和度规结合起来,使黎曼几何获得实在的物理意义。

3.爱因斯坦发明的第二个高峰—---广义相对论的建立

在1915年到1917年的3年中,是爱因斯坦科学成就的第二个高峰。

1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力场方程,于11月4日、11日、18日和25日一连向普鲁士科学院提交了四篇论文,

在18日递交的论文中,爱因斯坦根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,完满解决了60多年来天文学的一大难题。

在25日的论文《引力的场方程》中,他放弃了对变换群的不必要限制,建立了真正普遍协变的引力场方程,宣告了广义相对论作为一种逻辑结构终于完成。1916春天,爱因斯坦写了一篇总结性的论文《广义相对论的基础》;同年底,又写了一本普及性的小册子《狭义与广义相对论浅说》。

4.1916年在辐射量子方面提出引力波理论

1916年6月,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时,发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论。1979年,在爱因斯坦逝世24年后,间接证明了引力波存在。

5.1917年又开创了现代宇宙学

1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念的不协调性。他认为,宇宙在空间上是有限无边的。

6.统一场论的探索

1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。 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。但在同一场理论方面,他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,因此同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路,直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。

爱因斯坦热爱科学,也热爱人类。他没有因为埋头于科学研究而把自己置于社会之外,一直关心着人类的文明和进步,并为之顽强、勇敢地战斗。他说过:“人只有献身于社会,才能找出那实际上是短暂而又有风险的生命的意义” 。

1955年4月18日,爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。在爱因斯坦去世的前几天还录音对以色列广播,他说:“我们这时代最大的问题是人类分成两个互相对敌的阵营:共产世界和所谓的自由世界。由于“自由”及“共产”这两个词的意义对我很难理解,我宁愿用“东方”和“西方”的权力冲突来说,然而,这地球是圆的,这样“东方”和“西方”的真正精确意义也不能清楚。” 爱因斯坦留下遗嘱,要求不发讣告,不举行葬礼。他把自己的脑供给医学研究,身体火葬焚化,骨灰秘密的撒在不让人知道的河里,不要有坟墓也不想立碑。

二爱因斯坦狭义相对论的探索过程

和洛仑兹等老一辈物理学家总是想弥补和协调新实验与经典理论间的矛盾不同,爱因斯坦是从对整个经典物理学基础进行根本性的变革入手,沿着与众不同的方向进行的。

1.中学时的“追光”思考

1895年,16岁的爱因斯坦在瑞士阿劳中学读书时,曾无意中想到:“如果我以光速追随一条光线运动,那么我就应当看到,这样一条光线就好象一个在空间里振荡着而停止不前的电磁场。可是无论是依据经验,还是按照麦克斯韦方程,看来都不会有这样的事情。从一开始,在我只直觉地看来就很清楚,从这样一个观察者的观点来看,一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样,按照同样的一些定律来进行。”

2.马赫和彭加勒的影响

大约1897年,他在好友贝索的建议下,研读了马赫的《力学及其发展的批判历史概论》,1902年又重读了这本书,爱因斯坦在其《自述》中写到:“当我是一个学生时,这本书正是在这方面给了我深刻的影响。”1902年爱因斯坦还阅读了彭加勒的《科学与假设》等书,他们也批判了经典力学的有关基本概念,指出了经典力学的局限性。这一切使爱因斯坦认识到:作为电磁现象的力学解释的以太难以自圆其说,完全是一种多余的人为概念。另外,彭加勒认为他的“相对性原理” 是一个经验定理,而爱因斯坦却将其“提升为公设”。

3.普朗克量子假说的影响

1900年普朗克提出了量子假说,给爱因斯坦极大启发。由于经典力学容许振子有任意的振动方式,所以经典电磁学中辐射是连续的。因此,它们与普朗克的量子假说不相容,不能充当物理学的坚实基础。

开始,爱因斯坦也想走洛仑兹等人的老路,用综合的方法建立一种构造性理论,但很快就放弃了这种尝试,决定用假说演绎法建立原理性理论。他曾在《回忆》中谈到当时的转变情况:“早在1900年后不久,即在普朗克首创性工作以后不久,这类思考使我清楚的看到:不论是力学还是热力学(除非在极限情况下)都不能要求严格有效。渐渐的我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力的愈久,就愈加绝望,也就愈加确信,只有发现一个普遍的形式原理,才能使我们得到可靠的结果。” 这种“普遍的形式的原理”是用演绎法建造原理性理论的出发点。

4. 电磁感应实验的思考

在《论动体的电动力学》中写到:麦克斯韦电动力学应用到运动物体上时,会引起一些不对称,而这些不对称似乎不是现象所固有的。设想一个磁体同一个导体之间的相互作用。我们看到的现象应该只与导体和磁体的相对运动有关,可是按照麦克斯韦理论,这两个物体之中,究竟是这个在运动,还是那个在运动,却是截然不同的两回事。如果是磁体运动,导体静止,那么在磁体附近就会出现电场,它在导体内产生电流;如果导体运动,磁体静止,那么磁体附近就没有电场,只是在导体中产生一电动势,从而产生电流。…我不能接受这是

两种不同情形的思想。…唯一可以接受的客观事实是完全与观察者或坐标系的相对状态无关的联合在一起的电磁场。这个电磁感应现象迫使我假设狭义相对论原理。

5.麦克斯韦和赫兹光速的影响

在麦克斯韦理论中,电磁波的传播速度为v=1/√εμ,在真空中的速度为v=1/√ε0μ0是一个常数,且等于光速C 。1890年赫兹在写出静止以太参考系中的波动方程时,明确指出波速与波源的速度无关。爱因斯坦还仔细研读了洛仑兹1895年关于在一级近似条件下电动力学问题的文章,这些都最终导致光速不变原理的提出,并给其以公设的地位。

由于光速不变原理在表面上和相对性原理不兼容,其原因是“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地流在潜意识里,那么任何想要令人满意地澄清这个驳论的尝试都是注定要失败的。”

6.狭义相对论的提出

1905年6月爱因斯坦完成了《论动体的电动力学》。在该文中,他以公设提出了相对性原理和光速不变原理。1、相对性原理:一切彼此相对做匀速直线运动的惯性参照系对于物理学定律来说都是等价的。2、光速不变原理:对所有惯性系,光在真空中的速率恒为C,与光源或观察者的运动无关。并由此推导出洛仑兹变换方程。

爱因斯坦方程和洛仑兹变换的不同:

①洛仑兹变换是在绝对时空观下用了11个假设推导出来的,而爱因斯坦只用了两个基本公设;

②在方程组形式上也不尽相同,两者只是对β的一次幂才是一致的。对于爱因斯坦形式,x 2+y 2+z 2-c 2t 2是一个不变量,而对于洛仑兹形式则不然。

三 长度收缩、时钟变慢

爱因斯坦用导出的洛仑兹方程组导出了“长度收缩”、“时钟变慢”效应。把空间、时间同物质运动密切联系起来,揭示了空间和时间的相对性。如左图,K’坐标系以速度V 沿x 轴相对K 坐标系匀速运动,K 坐标系静止,有一长度为L 的刚性直尺静止于坐标系K’中,则从K 系观察,直尺长度为:

22

1'c

v l l ?= 表明:刚尺在运动时,在运动方向上变短;说明空间两点间的距离不是绝对的,随物体的运动状态而发生变化。当v=c 时,L=0,当v> c 时,L 为一虚值。由此得出结论:光速为极限速度。

同样时间也是相对的,设在K’系中测得的时间间隔为t’,则在K 系中测得的时间间隔为:

221'

c v t t ?=

即运动时钟变慢(t >t’)。

如图,S ′系中, A ′处有闪光光源及时钟 C ′。 M ′为反射镜。

第一事件:闪光从A ′发出

第二事件:经反射返回A ′

S'系中:c

d t 2=′? S 系中:22222?????

??+==?t v d c c l t

解之,可得:2

21c v t t ?′

?=?

1971年,美国科学家在地面把校准精度为10-9秒的4台铯原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈,然后返回地面与地面静止的比较,结果慢了59毫微秒。与相对论值只差10%,后来将原子钟放到飞船上实验精度进一步提高。

设一飞船以u=9×103m/s 的速率相对与地面匀速飞行。飞船上的钟走了5s,地面上的钟经过了多少时间? ()000000002.510310915128322=××?=

?′

?=?c v t t

所以飞船的时间膨胀效应实际上很难测出运动时钟变慢。

四 同时的相对性

在论文中,爱因斯坦指出:“不能给同时这个概念以任何绝对的意义,两个事件在一个坐标系中看来是同时的,在另一个相对这个坐标系运动的坐标系中看来,它们就不再是同时的。”

在列车中部一光源发出光信号,在列车中的观察者来看, A ‘B ‘两个接收器同时收到光信号,但在地面的观察者来看,由于光速不变,A ’先收到,B’ 后收到 。光源和 AB 两个接收器固定于地面时在地面的观察者来看, AB 两个接收器同时收到光信号,但在列车的观察者来看,由于光速不变,B 先收到,A 后收到 。

五 质能关系及质量与能量守恒的统一

1905年9月,爱因斯坦发表了《物理的惯性同它所含的能量有关吗》,指出:“物体的质量是它所含能量的量度;如果能量改变了L ,那么质量也就相应改变了L/9×1020格尔/克。” “如果这一理论同事实符合,那么在发射体和吸收体之间,辐射在传递着惯性。”同时,爱因斯坦给出了发射和吸收时的质能关系式:?E=?m c 2 。而在这之前,物理学家认为,辐射只有能量,而没有质量。

爱因斯坦在1907年发表的《关于相对性原理和由此得出的结论》中指出:“同惯性有关的质量μ相当于其量为μc 2的内能。既然我们可以任意的规定E 0的零点,所以我们无论如何也不可能明确的区分体系的‘真实’质量和‘表现’质量。把任何惯性质量理解为一种能量的储藏,看来要自然的多。”从而把质量守恒和能量守恒统一起来。“对于孤立的物理体系,质量守恒定律只有在其能量保持不变时才是正确的,这时这个质量守恒定律同能量守恒定律才具有同样的意义。”

六 质速关系的推导讨论:略

七 爱因斯坦速度变换式:略

八 相对论被世人接受的历程

爱因斯坦的上述论文发表以后,实验物理学家考夫曼立即对爱因斯坦的结论用镭-溴化合物微粒发出的β粒子进行了检验,并将其结论发表于《关于电子的构成》中,但其结论是:测量结果与爱因斯坦的基本假设不兼容。

爱因斯坦在1907年发表的《关于相对性原理和由此得出的结论》中指出:“至于这种系统的偏差,究竟是由于还没有考察到的误差,还是由于相对论的基础不符合事实,这个问题只有在有了多方面的观测资料以后,才能足够可靠的解决。”

1908年,布雪勒做了比考夫曼的实验精度更高的实验,判定相对论是正确的。次后,又有许多人重复了这个实验,结论是一致的。这样爱因斯坦的质能方程E=mc2才得到承认。

但是由于受传统时空观的影响太深,人们始终不愿接受对“以太”的否定。

J.J.汤姆逊1909年宣称:以太并不是思辩哲学家异想天开的创造,对我们来说,以太就像我们呼吸的空气一样不可缺少。

迈克耳逊在1931年79岁时,在和爱因斯坦会见时说:他想不到自己的实验竟会引出相对论这个“怪物”,并深表遗憾。

洛仑兹在晚年时还表示:难以理解光的传播无须用以太做为载体。

但普朗克认识到爱因斯坦论文的价值,他说“如果相对论是正确的,爱因斯坦就是20世纪的哥白尼。”作为当时《物理学杂志》的主编,给予及时发表。并对推广相对论起了很大作用。后人评价普朗克说:他有两大发现:一是量子论,二是爱因斯坦。

闵克夫斯基,爱因斯坦的大学老师,因爱因斯坦在上大学时不重视正规课程的学习而不喜欢他,但却十分赞赏爱因斯坦提出的相对论。1907—1908年他对相对论进行了四维格式化,重新处理了相对论方程。给相对论以更加简洁的表述。

九意义

爱因斯坦的狭义相对论和量子论一起,成为物理学革命的标志性成果。其意义正如他自己在1948年在《相对性:相对论的本质》中所指出的:“狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解,并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了牛顿所理解的那个即时的超距作用概念。它指出,在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时,运动定律必须加以修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清,特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律,并且指出了质量同能量的等效性。从形式的观点来看,狭义相对论的成就可以表征如下:它一般指出了普适常数c在自然规律中所起的作用,并且表明以时间作为一方,空间坐标作为另一方,两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系。”

狭义相对论和广义相对论

要了解狭义相对论和广义相对论的区别,我们首先要搞清楚,这两个理论大概说了什么? 狭义相对论 我们先从狭义相对论说起,其实狭义相对论解决了一个物理学的重大矛盾。在爱因斯坦之前,最成功的两个理论分别是牛顿提出的牛顿力学和麦克斯韦提出麦克斯韦方程。只不过,这两个理论有个矛盾,那就是:光速。 具体来说,牛顿的理论认为,速度可以不断地进行叠加,没有上限,只要你加得上去就行。可是,麦克斯韦方程得出的光速是一个固定值,似乎暗示着光速无论在什么惯性坐标系下都是一样的。要知道,我们在使用牛顿力学时,是需要先选定参考坐标的。因此,科学家就在思考,是不是存在一个奇怪的坐标系,让光速一直保持一个速度,它们管这个叫做以太。于是,一群科学家就拼了命地去找“以太”,然后他们接二连三地失败了。 后来,26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论。

有人说他高举了奥卡姆剃刀原理才成功的,这个奥卡姆剃刀原理大意是:如无必须勿增实体。翻译过来就是,咋简单咋来。既然光速是不变的,那为啥还要假设“以太”? 于是,爱因斯坦就以“光速不变原理”和“相对性原理”为基础假设,推导出了狭义相对论。这个过程就有点像平面几何,就只有五条公设,但是能搞出一整套体系。而这里的相对性原理,说白了就是经典物理学的老套路,在研究运动时,需要先选个惯性参考系。 通过这两条假设,爱因斯坦出了很多奇葩的结论,比如:时间膨胀。说的是,如果你想对于我高速运动,那我看你的时间就会变慢,这种变慢可以理解成,如果你在高速的飞船里做操,那我这里看到的就是你在慢动作做操。而你自己其实感觉到的时间是正常流逝。所以,是以我参考系看你时间膨胀了。如果你也 看到,你也会发现我的时间也变慢了,因为我想对于你也是在高速运动的。

计算机的发展历史与未来展望

电子信息工程1班201207020122 杨若雯

计算机的发展历史与未来展望 杨若雯 电子信息工程1班 201207020122 摘要:无处不在、无所不能的电脑,已历经了50多个春华秋实。50余年在人类的历史长河中只是一瞬间,电脑却彻底改变了我们的生活。回顾电脑发展的历史,并依此上溯它的起源,真令人惊叹沧海桑田的巨变;历数电脑史上的英雄人物和跌宕起伏的发明故事,将给后人留下了长久的思索和启迪。 关键词:机械、电子、晶体管、集成电路计算机、第五代计算机 引言:计算的历史十分悠久,可以追溯到原始人用手指计算、石头计算或绳结计算,当文化越来越复杂、社会越来越进步,计算工具也在相应变化,现代计算机的出现就源于这种需求。而计算机无疑是人类历史上最伟大的发明之一。如果说,蒸汽机的发明导致了工业革命,使人类进入了工业社会,那么计算机的发明则导致了信息革命,使人类社会进入了信息社会。 世界上第一台电子计算机于1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学,名叫ENIAC。60余年来,计算机及计算机科学与技术发展之迅猛是当初发明者所始料未及的,如今,“计算”已经无所不在,计算机及计算机技术已经深入生产、生活各个方面。而再从头回顾,我们会惊喜而又毫无意外地发现,其实这一切,都是人类文明史的必然产物,是长期的客观需求和技术准备的结果,那些令人惊艳的天才们与无数的专家们用毕生的精力创造了今天的一切——那么庞大迅捷的联系网与媒介,而我们这些站在巨人肩膀上的人,所要做的,就是在计算机的未来历史上,添上浓墨重彩的一笔。 计算机的史前时代 计算机的史前史至少可以追溯到我们祖先用手指或者石头绳结帮助计数的远古时代。数学的萌芽让公元前四五千年的苏美尔人开始了“数字化生存”的初次尝试,他们在发明楔形文字的同时,也在泥板上刻下了人类最早的数字符号。 随后,计算工具开始了快速的演变。中国古代的筹算发展成了算盘,这是人类经过加工制造出来的第一种计算工具,是我国古代发明创造的重要成就之一。而西方自17世纪初起,也开始出现了计算尺,至1957年,卡西欧公司制作了世界上第一台商用小型电子计算器。 机械式计算机 在电子计算机出现之前,从17世纪至19世纪长达两百多年的时间里,一批杰出的科学家相继进行了“机械计算机”的研究,这些计算机虽然构造简单、性能不够好,但其工作原理与现代计算机极为相似,为现代计算机的产生奠定了基础。 世界上第一台机械计算机的荣誉应归功于德国图宾根大学的教授威廉·契克卡德,他的发明早于1642年法国数学家、物理学家和思想家布莱斯·帕斯卡的加法机。1674年,德国伟大的数学家、因独立发明微积分而与牛顿齐名的戈特弗里德·莱布尼茨发明了乘法机。1805年,法国一位机械大师约瑟夫·杰卡德完成了法国纺织机械师贝斯莱·布乔关于“穿孔纸带”的构想,设计制造了“自动提花编织机”,这意味着程序控制思想的萌芽。1822年,被誉为“现代计算机的奠基人”的英国剑桥大学教授查尔斯·巴贝奇从杰卡德的“自动提花编织机”上获得灵感,制成了差分机,并提出了“分析机”的构想,为现代计算机的诞生奠定了理论基础。1873年,美国人弗兰克·鲍德温制造出手摇式计算机,这在电子计算器发明之前是办公室和家庭主要的计算装置。 从机械到电子的进程 机械式计算机采用的都是机械零件,利用机械转动原理工作,而在社会的发展中,电气控制技术逐渐取代了纯机械装置,这代表了计算机发展史上的一次重大飞跃,也标志着由机械计算机时代向电子计算机时代迈进。 1888年,美国统计专家赫尔曼·霍列瑞斯博士首次使用了穿孔卡技术的数据处理机器,

2、狭义相对论对于哲学发展的影响

2、狭义相对论对于哲学发展的影响 Einstein不仅是一位伟大的科学家,也是一位伟大的哲学探索者,他为后人留下了卷帙浩繁的科学著作和哲学社会学著作,将以伟大的物理学家和当代著名的哲学家而载入史册。赖兴巴赫说:“爱因斯坦的工作比许多哲学家的体系包含着更多的固有哲学。”爱因斯坦认为,现代哲学的基本原理组成了我们所有人生活的世界,这些原理是活生生的,是经过千百年实践检验证明的。爱因斯坦是一个奇迹,他的贡献极大地促进了人类的文明进步。在当今之世,他已经成为人类智慧的化身和道德的典范。他的业绩远远超出诺贝尔奖所给予的标志。未来的时代愈久远,现在与之比肩的名人将逐渐被人淡忘,而爱因斯坦必将越来越成为后世敬仰的楷模。普朗克讲:“要对爱因斯坦的理论作出中肯评价的话,那么可以把他比做20世纪的哥白尼,这也正是我所期望的评价。” 爱因斯坦认为,哲学是科学研究之母,科学生发新的哲学思想,科学和哲学二者在他身上可谓珠联璧合、相得益彰。在常规科学时期,科学家是在范式的指导下解难题的,哲学表面看来对科学似乎不起什么作用,岂不知,哲学成分早已包含在范式之内了。但是当科学面临危机和革命时,科学家单在科学自身之内是找不到足够的破旧立新的思想武器的,他们只好求助哲学批判和哲学分析。而且这样的任务也只能由有哲学头脑的科学家来担当,因为他们“最清楚鞋子究竟是在哪里夹脚的”,富有科学功力和哲学素养的科学家便顺天应时地成为科学革新家。在创立狭义相对论的过程中,科学和哲学在爱因斯坦的思想中是水乳交融、彼此砥砺、相辅相成的。 爱因斯坦“博观而约取,厚积而薄发”。他善于博采众家之长,又不墨守成规或拘泥于一家之言,他既从专业哲学家斯宾诺莎、莱布尼兹、康德、休谟等人那里汲取了丰富的思想营养,又从哲人科学家开普勒、伽利略、牛顿、安培、亥姆霍兹、黎曼、普朗克、马赫、彭加勒、奥斯特瓦尔德、迪昂、皮尔逊等人之处获得了有益的启迪,加之他善于结合科学实践进行思考和创造,从而形成了他的综合实在论思想。这种实在论既在各种不同的乃至对立的哲学流派之间保持了必要的张力,又在传统和革新之间保持了必要的张力,因而成为一种卓有成效的科学研究纲领。霍耳顿教授在60年代末发表的一篇著名论文《马赫、爱因斯坦和对实在的探索》中这样写道:“在我们这个世纪的思想史中,有一章可以题为‘阿尔伯特?爱因斯坦的哲学历程,这是一段从以感觉论和经验论为中心的科学哲学,到以理性论的实在论为基础的哲学历程。”把爱因斯坦科学哲学概括为由温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论构成的独特而绝妙的多元张力哲学,在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中,五种不同的乃至异质的要素相互限定、彼此补充,保持着恰到好处的“必要

相对论资料

资料:相对论是怎样产生的? 1、罗盘鄂华《传》P16引自《自述》 “当我还是一个四五岁的小孩,在父亲给我看一个罗盘的时候,我经历过这种惊奇,这只罗盘以如此确定的方式行动,根本不符合那些在无意识的概念世界中能找到位置的事物的本性。我现在还记得,至少相信我还记得,这种经验给我一个深刻而持久的印象,我想一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。 2、几何学鄂华《传》P24-25引自《自述》 “在我12岁时,我经历了另一种性质完全不同的惊奇:这是在一个学年开始时,当我得到一本关于欧几里得平面几何的小书时所经历的,这本书里有许多断言,比如三角形的三个高相交于一点,它们本身虽然不是显而易见的,但是可以很可靠地加以证明,以致任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象,至于不用证明就得承认公理,这件事并没有使我不安,如果我能依据一些其有效性是不容置疑的命题来加以证明,那么我就完全心满意足了”。 爱因斯坦《浅说》P2-3 几何学是从某些象“平面”、“点”和“直线”之类的概念出发的,我们可以有大体上是确定的观念和这些概念相联系;同时,几何学还从一些简单的命题(公理)出发,由于这些观念,我们倾向于把这些简单的命题当作“真理”接受下来,然后,根据我们自己感到不得不认为是正当的一种逻辑推理过程,阐明其余的命题是这些公理的推

论,也就是说这些命题已得到证明。于是,只要一个命题是以公认的方法从公理中推导出来的,这个命题就是正确的(就是“真实的”),这样,各个几何命题是否“真实”的问题就归结为公理是否“真实”的问题。 如果,按照我们的思想习惯,我们现在在欧几里得几何学的命题中补充一个这样的命题,即在一个在实践上可视为刚性的物体上的两个点永远对应于同一距离(直线间隔),而与我们可能使该物体的位置发生的任何变化无关,那么,欧几里得几何学的命题就归结为关于各个在实践上可以视为刚性的物体的所有相对位置的命题,作了这样补充的几何学可以看作物理学的一个分支,现在我们就能够合法地提出经过这样解释的几何命题是否“真理”的问题,因为我们有理由问,对于与我们的几何观念相联系的那些实在的东西来说,这些命题是否被满足,用不大精确的措词来表达,上面这句话可以说成为,我们把此种意义的几何命题的“真实性”理解为这个几何命题对于用圆规和直尺作图的有效性。 王青建《赏析》P1 P11 P10 欧几里得《几何原本》是一本世界名著,在各国流传很广、影响很大,仅次于基督教的《圣经》。该著作开辟了一条数学公理化的正确道路,对整个数学发展的影响超过了历史上任何一部著作。 《几何原本》中的演绎逻辑思想也成为后世数学发展的宗旨,事实上,现代数学的许多结果都不符合直观,它们之所以被人们接受和使用,关键是它们符合演绎逻辑推理,它们是经过严格证明出来的。

_相对论_宇宙与时空_连载_时间的性质_下_

第29卷第2期大 学 物 理Vol.29No.2 2010年2月COLLEGE PHYSI CS Feb.2010《相对论、宇宙与时空》连载  《相对论、宇宙与时空》连载 λψ ———时间的性质(下) 赵 峥 (北京师范大学物理系,北京 100875) 8 时间测量的基础———“约定光速” 相对论诞生之后,人们逐渐认识到不仅时间的测量有问题,空间的测量也存在问题.一根尺在不同的地方,长度是否一样,尺子在移动过程中长度会不会改变,都成了需要深思的问题. 哲学家们在探索“时间本质”上所发挥的激情,使时间测量问题更加混乱.不少哲学家认为时间与空间不同,时间应该属于精神世界.有的哲学家干脆认为时间的度量只能靠“直觉”.然而什么是“直觉”,也很难说清楚,似乎只能意会,不能言传. 哲学家的聪明才智虽然给了科学工作者很多启示,但上述把时间归入“精神世界”,把时间度量归入“直觉”的看法,似乎无助于自然科学工作者对时间性质的研究. 针对上述导致“混乱”的观点,庞加莱在相对论诞生前夜(1900年前后)发表了一些重要看法.庞加莱认为时间的测量分为两个问题,一个是如何确定“异地时钟”的同时,另一个是如何确定“相继时间段”的相等.他认为这两个问题的解决不能靠“直觉”,而应靠“约定”. 他在《时间的测量》一文中猜测,应该把“光速各向同性而且是一个常数”作为一条公理.他讨论了用交换光信号来确定两地时间“同时”的问题[15]. 1905年,他在《科学的价值》一书中再次强调了他对“约定”光的传播性质的观点:“光具有不变的速度,尤其是,光速在所有方向都是相同的.这是一个公设.没有这个公设,便不能试图测量光速”[15]. 科学史的研究表明,在相对论的第一篇论文发表之前很久,爱因斯坦就已认识到“相对性原理”和“麦克斯韦电磁理论”是应该坚持的基本原理.他也已认识到这将导致电磁理论与参考系无关,以及由此引起的光速与参考系无关的结论,即所谓“光速不变性”.也就是说爱因斯坦已经抓住了“相对论”的基础.那么他为什么一直没有建立起“相对论”呢?爱因斯坦1922年在日本京都的一次即兴演讲道出了其中的原委[20].他回忆了大约在1905年5月与朋友贝索的一次讨论,当时爱因斯坦正被一个问题卡住.这个问题就是“光速不变性”似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾.这个难题爱因斯坦思考了几乎一年,然而毫无结果.他觉得“这真是个难解之谜”.爱因斯坦在京都演讲中回忆道:“这时,伯尔尼的一个朋友(贝索)意外地帮助了我.那是一个明媚的日子,我去访问他,与他进行了如下的谈话:‘最近我有个难以理解的问题,所以今天我把问题带到这里来想跟你讨论.’我们谈了很多,我突然明白了.第二天我又去看他,开口就说:‘谢谢你,我已经完全解决了这个问题.’我解决的实际上就是时间概念,也就是说,时间不可能被绝对地定义,时间和信号速度之间存在着不可分离的联系.”爱因斯坦曾和他的朋友们一起读过并讨论过庞加莱的文章.看来这次与贝索的谈话使爱因斯坦回忆起了庞加莱关于时间与光速关系的论点,这给了他重要的启示,解决了卡住的问题.几周后爱因斯坦关于相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》就投给了杂志社,文章后面,爱因斯坦向贝索致谢,“感谢他提出的一些有价值的建议”. 在下一节中,我们将清楚地看到,庞加莱“约定”光速的观点,对爱因斯坦建立相对论的影响. 9 异地时钟的校准———“同时”的定义 “异地时钟的校准”和“相继时间段(绵延)的测量”是时间研究中的重大问题.庞加莱认为这两个问题相互关联,而且只有通过“约定”才能加以解决.他推测通过“约定”真空中光速的各向同性有可能解决上述问题. 爱因斯坦赞同庞加莱对时间度量的约定论,并在他的相对论中用“约定”的方式定义了异地事件的同时.由于物理学是一门实验的科学、测量的科学,有关时间度量的任何约定,都必须使定义在测量上有可操作性.为此,爱因斯坦建议“约定”真空中的光速均匀各向同性,而且是一个常数.爱因斯坦把

计算机三百八十年发展史

回首三百八十年——计算机编年简史 1623年:德国科学家契克卡德(W. Schickard)制造了人类有史以来第一台机械计算机,这台机器能够进行六位数的加减乘除运算。 1642年:法国科学家帕斯卡(B.Pascal)发明了著名的帕斯卡机械计算机,首次确立了计算 机器的概念。 1674年:莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机,使之成为一种能够进行连续运算的机器,并且提出了“二进制”数的概念。(据说这个概念来源于中国的八卦)

1725年:法国纺织机械师布乔(B.?Bouchon)发明了“穿孔纸带”的构想。 1805年:法国机械师杰卡德(J.Jacquard)根据布乔“穿孔纸带”的构想完成了“自动提花编织机”的设计制作,在后来电子计算机开始发展的最初几年中,在多款著名计算机中我们均能 找到自动提花机的身影。 1822年:英国科学家巴贝奇(C.?Babbage)制造出了第一台差分机,它可以处理3个不同 的5位数,计算精度达到6位小数。

1834年:巴贝奇提出了分析机的概念,机器共分为三个部分:堆栈,运算器,控制器。他的助手,英国著名诗人拜伦的独生女阿达?奥古斯塔(Ada Augusta)为分析机编制了人类历史 上第一批计算机程序。 阿达和巴贝奇为计算机的发展创造了不朽的功勋,他们对计算机的预见起码超前了一个世纪以上,正是他们的辛勤努力,为后来计算机的出现奠定了坚实的基础。 1847年:英国数学家布尔(G.Boole)发表著作《逻辑的数学分析》。

1852年:阿达?奥古斯塔(Ada Augusta)去世,年仅36岁。 1854年:布尔发表《思维规律的研究??逻辑与概率的数学理论基础》,并综合自己的另一篇文章《逻辑的数学分析》,从而创立了一门全新的学科-布尔代数,为百年后出现的数字计算机的开关电路设计提供了重要的数学方法和理论基础。 1868年:美国新闻工作者克里斯托夫?肖尔斯(C.Sholes)发明了沿用至今的QWERTY键 盘。 1871年:为计算机事业贡献了毕生精力的巴贝奇(C.?Babbage)去世。他与阿达所设想的分析机最终也未能问世,但是他们却为后人留下了一份宝贵的遗产,那就是面对困难不屈不挠 的精神,以及那数十种设计方案和程序。 1873年:美国人鲍德温(F. Baldwin)利用自己过去发明的齿数可变齿轮制造了第一台手摇 式计算机。 1886年:美国人Dorr E. Felt (1862-1930), 制造了第一台用按键操作的计算器。

什么是相对论

第一章狭义相对论与洛伦兹变换 据资料显示,狭义相对论是由洛伦兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论,是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦以光速不变原理出发,建立了新的时空观。进一步,闵可夫斯基为狭义相对论提供了严格的数学基础,从而将该理论纳入到带有闵可夫斯基度量的四维空间之几何结构中。 此外,在学习中,我还明白了狭义相对论之中的洛伦兹变换与伽利略变换的区别在于精准度的大小;而且,洛伦兹变换是基于光在可测时空中的平均速度不变的实验所证明的规律下建立起来的。 在狭义相对论中指出高速运动情况下,不同的坐标系下会表现出不同的测量结果。如尺缩效应、时间延长等。本文将不在这里讨论以上结论的证明过程。 况且,以上结论只是对一些可能客观存在的现象的描述,真正的原理我们还不能真正的解释清楚。事实上物理学的终点就是解决最初、现在以及将来!最初,说的是宇宙的开端,即时间和空间的开端。现在,也就是现在的宇宙运行规律的背后操纵者的探索。将来,可以说是求解宇宙发展的明天。 可以说相对论只是物理学的一小步,却是近现代物理学的一大步! 第二章迷人的超光速

相对论认为超光速行进是行不通的,对于一个有质量的物体,哪怕是一个质量极小的粒子,其速度接近光速时,质量会变得极大,要想再加速就极困难了,如果其质量无限大,而加速质量无限大的物质时需要无限大的能量,这是不可能的。 这里我就要问了,速度的增加与质量的增加是不是同时,还是有先有后。也许我们只要不断地产生并消耗那一部分质量就可以得到一种高速加速的方式。 我们真的不能超越光速吗,我们姑且不考虑光在可测时空中的平均速度不变的正确性。 如果说我们不是让本身的速度增加,而是让时空推着我们走,让当地的时空坐标产生推移从而看起来比光的传播速度更快。这就是时空泡泡。与之相对应的还有虫洞理论,说的是通过负能量创造弯曲时空,建立一个捷径。但是,我们可以想啊,负能量到底何德何能,它竟然可以创造弯曲时空,还可以维持弯曲的存在!这是科学家们没有给我解答的!毕竟负能量的能力也只是在麦克斯韦方程式中得到的解。 而且,敝人认为,即使造出了弯曲的时空,我们也没有办法超光速!因为那里的时空密度已经改变,用我们平直的时空尺已经没办法测量,我们想要穿越,就一定要进入,一旦进入,我们就要服从那里的规律,必须用到弯曲的时空尺!纵然在平直的时空中观察只有1米,可是弯曲了一光年的长度,于是即使我们以光速行进,还是要一年才能走完!

_相对论_宇宙与时空_连载_恒星演化的归宿_白矮星_中子星和(精)

第 28卷第 6期大学物理 Vol . 28No . 62009年 6月 COLLEGE PHYSI CS June 2009 《相对论、宇宙与时空》连载 《相对论、宇宙与时空》连载⑥ ———恒星演化的归宿 (白矮星、中子星和黑洞 赵峥 (北京师范大学物理系 , 北京 100875 1赫罗图 指向天空的望远镜发现 , 千亿计的恒星各式各样 , 它们不仅光度不同 , 颜色也各异 , 真是千姿百态、绚丽多彩 . 这里的光度 , 是指恒星的绝对光度 . 绝对光度反映 , 之后 , 恒星的真实亮度 , 释放出的光能 . . 恒星的颜色 , . (. Hertzs p rung 和美国天文学家罗素 (Russell 各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图 , 称为赫罗图 (图 1 . 注意 , 赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布 , 而是它们的光度和温度之间的关系 . 由于温度是由光的颜色反映出来的 , 他们给每一个温度范围定义了一个光谱型 , 从高温的蓝星到低温的红星 , 依次分为 O 、 B 、 A 、 F 、 G 、 K 和 M 共 7个光谱型 . 我们的太阳属于黄 色的 G 型 , 表面温度约 6000K [1— 5] .

图 1赫罗图 光谱型的名字很难记 , 有人编了一个小故事 :一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空 , 那五颜 六色的天体让他大为惊讶 , 不禁大喊道:“ Oh, be a fine girl, kiss me ! ” (哦 , 真像一位仙女 , 吻我吧 ! . 这句话的每个单词的第一个字母 , . , . , (红矮 . , 是黄色的恒星 , . 主星序的右上方有低温而巨大的红巨星 , 左下方有小而高温的白 矮星 , 它们属 于恒星演化的不同阶段 . 星际物质在万有引力作用下塌缩变热 , 点燃热核反应 , 成为主序星 , 在这里度过它们 99%的寿命 . 当恒星内部的氢合成氦的反应结束时 , 恒星离开主星序 , 膨胀成红巨星 . 然后再演变成白矮星 . 下面 , 我们将详细地介绍 这一演化过程 .

广义相对论的理解

11、广义相对论的几 个疑难问题 1、暗物质的本质:现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%,各种测算方法都证实,宇宙的大部分是不可见的。要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的,但已发现的有力证据说明,事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找,使宇宙学家和粒子物理学家开始合作,最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子:neutralino和axions(轴子),但这仅是物理学的理论推测,并未探测到,据认为,这三种粒子都不带电,因此无法吸收或反射光, 但其性质稳定,所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。 天文学家已经证明:宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍的星系到最大星系团,都是由一种物质形式所维系在一起的,这种物质既不是构成我们银河系的那种物质,也不发光。这种物质可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成,该物质的聚集产生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时,这些粒子可能穿过地面实验室。 美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出 有力的证据:中微子以各种形式“振荡”,因此必定会具有质量。虽然质量很小,但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。 尚未发现的其它粒子有可能存在,例如一种称为超对称的新对称理论预言有一种大的新类型的粒子,其中有些可解释暗物质。现正在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强子对撞机(LHC)上开展的实验,以及地下低温暗物质寻找和空间利用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验,目的都是要寻找超对称粒子。 阿尔法磁谱仪(AMS)安装在国际空间站上,寻找反物质星系和

浅谈计算机的发展历程

南京广播电视大学成高教育毕业论文 题目:浅谈计算机的发展历程 年级:14春计算机信息管理 学号: 学生:吴晶 指导老师:汪玲 完成日期:2016年5月4日 内容摘要 当今时代计算机发展迅速,计算机走入了我们的生活,极大方便了我们的工作学习生活。作为新时代青年,我们不仅要学会用,更要了解计算机的发展,应用与未来,以便站在一个考前的地方思考问题,这样才有助于创新。本文通过对计算机的过去现在与未来的调查以及芯片对现代科技的重要作用,详细介绍了计算机和芯片的发展历史,并以芯片业巨头英特尔公司为参照对象,把计算机芯片发展分阶段进行的发展历程进行总结,当今时代的应用和未来的发展方向。计算机取得今天的成就不是一朝一夕能完成的,而是通过一代一代的升级。计算机同样有很大的发展空间。 关键词:计算机;芯片;计算机的普及 引言; 1946年2月14日,在美国宾夕法尼亚大学,世界上第一台电子数字计算机ENIAC 诞生,第一台计算机是美国军方定制,专门为了计算弹道和射击特性表面而研制的,承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成。1946年这台计算机主要元器件采用的是电子管。该机使用了1500ENIAC个继电器,18800个电子管,占地170m2,重量重达30多吨,耗电150KW,造价48万美元。开机时让周围居民暂时停电。这台计算机每秒能完成5000次加法运算,400次乘法运算,比当时最快的计算工具快300倍,是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。用今天的标准看,它是那样的“笨拙”和“低级”,其功能远不如一只掌上可编程计算器,但它使科学家们从复杂的计算中解脱出来,它的诞生标志着人类进入了一个崭新的信息革命时代。 1.计算机 当今计算机已经成为学习和工作的得力助手,计算机给人们带来了大量信息的同时也给整个世界带来巨大的利益。随着科技发展和社会进步,尤其是计算机大范围的普及,计算机应用逐渐由大规模科学计算的海量数据处理转向大规模的事务处理和对工作流的管理,这就产生了以台式计算机为核心,以数据库管理系统为开发环境的管理信息系统在大规模的事务处理和对工作流的管理等方面的应用.管理信息系统(MIS)是一个以人为主导,利用计算机硬件、软件、网络通信设备以及其他办公设备,进行信息的收集、传输、加工、储存、更新和维护,以企业战略竞优、提高效率为目的,支持企业高层决策、中层控制、基层运作的集成化的人机系统。因此,管理信息系统绝不仅仅是一个技术系统,而是把人包括在内的人机系统,因而它是一个管理系统,是个社会系统。 在网络普及的21世纪,不管是小学生还是中学生或者大学生,甚至是在社会上工作的人,

语言相对论的产生及发展

语言相对论的产生及发展 语言相对论往往被称作“萨丕尔-沃尔夫假说”。实际上,美国语言学家、人类学家萨丕尔(Edward Sapir)和美国语言学家沃尔夫(Benjamin Lee Whorf)并没有合著过,也没有明确地为实证研究提出过假说。“萨丕尔-沃尔夫假说”这一说法是萨丕尔的学生,美国语言学家、人类学家哈利?霍衣哲(Harry Hoijer)在1954年提出的(Koerner 2002:2)。 ①后来的学者,如美国心理语言学家罗杰?布朗(Roger Brown)(1976)等,将假说分为两类:强式,语言决定论(Linguistic Determinism),即语言决定思维、信念、态度等;弱式,语言相对论(Linguistic Relativity),语言反映思维、信念、态度等(高一虹,1994:4)。前者认为语言不同的民族,思维方式完全不同,后者认为语言不同的民族,思维方式上有差异。但值得注意的是,萨丕尔和沃尔夫并未作此区分,沃尔夫本人也并不同意极端的语言决定论。 目前,研究者通常使用沃尔夫自己的术语,即语言相对论(Linguistic Relativity)。这个陈述暗示了萨丕尔和沃尔夫并不是最早或唯一对语言和思维的关系进行研究的学者。其他思想流派也有对这个问题的研究。 对语言和思维之间关系的思考可以追溯到古希腊时期。

对语言相对论来说,其思想发展历程大致经过以下几个时期。 古希腊时期 古希腊哲学家柏拉图认为,世界存在于预设的外部理念,语言若要存在下去,就必须尽力正确地反映这些理念。“除了我们把思维准确地称作由心灵与它自身进行的无声 的对话之外,思维和言谈是一回事。”“从心中发出通过嘴唇流出来的声音之流称作言谈。”② 持该种观点的人认为,语言的背后是普遍的理性本质,为天下人共有,至少为所有思想家共有。词语不过是这种深层精华的表达媒介,语言是反映内在思想活动的“标签”,是体验世界的工具,还没有考虑到语言对思想的作用。 德国语言学传统时期 直至18世纪晚期19世纪早期,人们才逐渐认识到不同民族有不同的特征,即民族精神。随着这种认识的发展,逐渐形成了民族主义。 1820年,德国语言学者洪堡德(Wilhelm V on Humboldt)将语言学和民族浪漫主义的研究联系起来,认为正是语言构造了思维。思维由内部对话产生,这个过程使用了语言使用者相同的语法结构。所使用语言的语法被认为反映了这个民族国家的世界观(Weltanschauug)。“语言的多样性不仅仅是符号和声音的多样性,而且是价值观的多样性。”③

广义相对论简介

广义相对论简介 引子 由牛顿力学到狭义相对论,基本观念的发展是,其一:由一切惯性系对力学规律平权到一切惯性系对所有物理规律平权;其二:由绝对时空到时空与运动有关。 爱因斯坦进一步的思考:非惯性系与惯性系会不平权吗?物质与运动密不可分,那么时空与物质有什么关系?关于惯性和引力的思考,是开启这一迷宫大门的钥匙,最终导致广义相对论的建立。 §1 广义相对论的基本原理 一、等效原理 1. 惯性质量与引力质量 实验事实:引力场中同一处,任何自由物体有相同的加速度。 根据上述事实及力学定律,可得任一物体的惯性质量 与引力质量 满足 常量,与运动物体性质无关,选择合适的单位,可令 = = , 即惯性质量与引力质量相等。从而,在引力场中自由飞行的物体,其加速度必等于 当地的引力强度 。 2. 惯性力与引力 已知在非惯性系中引入惯性力后,可应用力学规律,而惯性力。在 此基础上,讨论下述假想实验。 1) 自由空间中的加速电梯(如图1) 以 为参考系,无法区分ma 是惯性力还是引力。因此,也可以认为是在引力场中 匀速运动的电梯。 2) 引力场中自由下落的电梯S*(如图2) 以S*为参考系,无法区分是二力平衡 还是无引力。因此,也可认为S*是 自由空间中匀速运动的电梯。 以上二例表明,由 = , 可导出惯性力与引力的力学效应不可区分, 或者说,一加速参考系与引力场等效。当然,由于真实引力场大范围空间内不均匀, 图 图1 图 2

因此,这种等效只在较小范围空间内才成立,我们称之为局域等效。 3. 等效原理 弱等效原理:局域内加速参考系与引力场的一切力学效应等效。 强等效原理:局域内加速参考系与引力场的一切物理效应等效。 广义相对论的等效原理是指强等效原理。 4.对惯性系的再认识——局域惯性系 按牛顿力学的定义,惯性定律成立的参考系叫惯性系。恒星参考系是很好的惯性 系,不存在严格符合此定义的真正的惯性系。惯性系之间无相对加速度。 按爱因斯坦的定义,狭义相对论成立的参考系,或(总)引力为零的参考系叫惯 性系。因此,以引力场中自由降落的物体为参考的局域参考系是严格的惯性系,简 称为局惯系。引力场中任一时空点的邻域内均可建立局惯系,在此参考系内运用狭 义相对论。同一时空点的各局惯系间无相对加速度,不同时空点的各局惯系间有相 对加速度。 二、广义相对性原理 原理叙述为:一切参考系对物理规律平权,即物理规律在一切参考系中的表述形 式相同。 为了在广义相对性原理的基础上建立广义相对论理论,爱因斯坦所做的进一步工 作是使引力几何化,即把引力场化作时空几何结构加以表述。对广义相对论普遍理 论的研究数学上涉及黎曼几何、张量分析等,超出本简介范围,下面只作浅显的说 明。 §2 引力场的时空弯曲 一、弯曲空间的概念 从高维平直空间可观测低维平直空间与弯曲空间的差异。 平面——二维平直空间内:测地线(即两点间距离的极值线)为直线,三角形内 角和=,圆周长=。 球面——二维弯曲空间:测地线为弧线,如图。三角形(PMN)的内角和>, 圆周长<。 故通过测量可判定空间弯曲。(如图3) Array二、引力场的空间弯曲 讨论爱因斯坦转盘(如图4) 相对惯性系S以角速度均匀 转动的参考系。由S系可推知 系中的测量结果(狭义相对论) 图 3

计算机网络的发展史论文.

Harbin Institute of Technology 计算机的发展史——论计算机网络的发展 院系: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 哈尔滨工业大学

计算机的发展史 ——论计算机网络的发展 摘要: 在过去的三百年中,每一个世纪都有一种技术占据主要的地位。18世纪伴随着工业革命而来的是伟大的机械时代;19世纪是蒸汽机时代;20世纪的关键技术是信息的获取、存储、传送、处理和利用;而在21世纪的今天人们则进入了一个网络时代,使我们周围的信息更在高速的传递着。 计算机是20世纪人类最伟大的发明之一,它的的产生标志着人类开始迈进一个崭新的信息社会,新的信息产业正以强劲的势头迅速崛起。随着计算机功能的扩展和性能的提高,计算机包含的功能部件也日益增多,其间的互连结构日趋复杂。以通信子系统为中心的组织方式,使计算机技术与通信技术紧密结合,形成了计算机网络、分布计算机系统等重要的计算机研究与应用领域。为了提高信息社会的生产力,提供一种全社会的、经济的、快速的存取信息的手段是十分必要的,因而,计算机网络这种手段也应运而生,并且在我们以后的学习生活中,它都起着举足轻重的作用,其发展趋势更是可观。只有更好的学习与了解计算机网络,计算机系统等重要的计算机研究与应用领域的发展史,才能更深入的了解计算机并且发展计算机技术。因此我就计算机网络的发展史写成了这篇论文。 一、计算机的发展历程 (一)计算机简介 计算机(computer)俗称电脑,是一种用于高速计算的电子计算机器,可以进行数值计算,又可以进行逻辑计算,还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行,自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。由硬件系统和软件系统所组成,没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类,较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。 计算机发明者约翰·冯·诺依曼。计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一,对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响,并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域,已形成了规模巨大的计算机产业,带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革,计算机已遍及一般学校、企事业单位,进入寻常百姓家,成为信息社会中必不可少的工具。 计算机的应用在中国越来越普遍,改革开放以后,中国计算机用户的数量不断攀升,应用水平不断提高,特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用取得了不错的成绩。1996年

物理学发展史

物理学发展史 公元1638年,意大利科学家伽利略的《两种新科学》一书出版,书内载有斜面实验的详细描述。伽利略的动力学研究与1609~1618年间德国科学家开普勒根据天文观测总结所得开 普勒三定律,同为牛顿力学的基础。 公元1643年,意大利科学家托利拆利作大气压实验,发明水银气压计。 公元1646年,法国科学家帕斯卡实验验证大气压的存在。 公元1654年,德国科学家格里开发明抽气泵,获得真空。 公元1662年,英国科学家波义耳实验发现波义耳定律。十四年后,法国科学家马里奥 特也独立的发现此定律。 公元1663年,格里开作马德堡半球实验。 公元1666年,英国科学家牛顿用三棱镜作色散实验。 公元1669年,巴塞林那斯发现光经过方解石有双折射的现象。 公元1675年,牛顿作牛顿环实验,这是一种光的干涉现象,但牛顿仍用光的微粒说解 释。 公元1752年,美国科学家富兰克林作风筝实验,引雷电到地面。 公元1767年,美国科学家普列斯特勒根据富兰克林导体内不存在静电荷的实验,推得 静电力的平方反比定律。 公元1780年,意大利科学家加伐尼发现蛙腿筋肉收缩现象,认为是动物电所致。不过 直到1791年他才发表这方面的论文。 公元1785年,法国科学家库仑用他自己发明的扭秤,从实验得静电力的平方反比定律。在这以前,英国科学家米切尔已有过类似设计,并于1750年提出磁力的平方反比定律。 公元1787年,法国科学家查理发现了气体膨胀的查理-盖·吕萨克定律。盖·吕萨克的研 究发表于1802年。 公元1792年,伏打研究加伐尼现象,认为是两种金属接触所致。 公元1798年,英国科学家卡文迪许用扭秤实验测定万有引力常数G。 公元1798年,美国科学家伦福德发表他的摩擦生热的实验,这些实验事实是反对热质 说的重要依据。

牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一

牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一 殷业 上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234 yinye@https://www.360docs.net/doc/2f13243823.html, 摘要:时空观是物理理论的基石,也是自然科学的基石,因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦,每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答,但这些答案还不是最终答案。本文分析了历史上存在的各种时空观,从笛卡尔的“物质空间”思想出发重新审视了时间和空间的关系,通过分析说明:不同的“物质空间”中时间是不同的,从而获得了对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一认识。 关键词:虚空;物质空间;绝对时间;相对时间;相对论;牛顿力学 中图分类号:O412 文献标识码:A 0. 引言 时空观是物理理论的基石,也是自然科学的基石,因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2],每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答,但他们的答案还不是最终答案。以上四位伟人对时空的答案,有一个共同点,就是时间和空间只有一种,但以笛卡尔的“物质空间”思想[3,4,14]为基础的时空观中,时间和空间可分成两种,一种是“虚空”中的时间和空间,对应“牛顿的绝对时间和空间”,另一种是“物质空间”中的时间和空间,对应“爱因斯坦的相对时间和空间”,前一种时间是空间无关的,后一种时间是空间相关的,所以在“物质空间时空观”中牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观可以得到了统一,下面我们对这两种不同的时间和空间的有关问题进行讨论。 1. 虚空和物质空间 牛顿在“原理”[1]中阐述的绝对空间是:“绝对空间就其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动”。牛顿的绝对空间有如下几层含义,(1)绝对空间是真实感知空间的抽象;我们可以设想一个玻璃围成的正方体,假设这个玻璃正方体相对绝对空间静止,将玻

论计算机的发展论文

论计算机的发展 【摘要】随着计算机技术、网络及软件业的发展,使计算机的发展已经进入了一个崭新的时代。计算机已经由过去的功能单一,体积盘大等特点向功能多样化、体积微型化、资源网络化、处理智能化方向发展。它的应用已经贯穿了各个学科,并促进各个学科的快速发展。在日常生活中,计算机的应用已无处不在,它已渗透到国民经济各个部门及社会生活的各个方面。 【关键词】计算机进程、未来前景 一、引言 自从1946年第一台计算机的出现,它的发展已经经历了60多年来的变迁。计算机在运算速度、增进性能、缩小性强、降低成本以及开发应用等方面得到了空前发展。随着知识经济的不断深入,计算机的发展趋势不仅继续深化,而且节奏加快。 在计算机本身发展的同时,它的应用领域从过去的单一化走向了多元化。在日常生活中,计算机的应用已无处不在,无论是军事领域、教育领域、工业领域还是其他商业领域,它已渗透到国民经济各个部门及社会生活的各个方面。 从本文对计算机的历史进程来分析未来的发展趋势并结合计算机当前的应用领域,分析了计算机的应用前景,得出了自己的结论。 二、计算机按构成元件经历的四个时代进程

第一代电子管计算机(1945-1956) 在第二次世界大战中,美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。1944年Howard H. Aiken(1900-1973)研制出全电子计算器,为美国海军绘制弹道图。这台简称 Mark I 的机器有半个足球场大,内含500英里的电线,使用电磁信号来移动机械部件,速度很慢(3-5秒一次计算)并且适应性很差只用于专门领域,但是,它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等式。 1946年2月14日,标志现代计算机诞生的ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)在费城公诸于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑,它通过不同部分之间的重新接线编程,还拥有并行计算能力。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发,使用了18,000个电子管,70,000个电阻器,有5百万个焊接点,耗电160千瓦,其运算速度比Mark I快1000倍,ENIAC是第一台普通用途计算机 40年代中期,John von Neumann(1903-1957)参加了宾夕法尼亚大学的小组,1945年设计电子离散可变自动计算机 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer),将程序和数据以相同的格式一起储存在存储器中。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作,von Neumann结构的关键部分是中央处理器,它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。

相对论的发展

第八章 相对论的发展 教学目的与要求:掌握:狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的;广义相对论的实验验证情况。熟悉:绝对时空观的困难;爱因斯坦的生平。 教学重点,难点:狭义相对论的内容及建立过程。爱因斯坦是如何得到广义相对论的两个基本假设的;广义相对论的实验验证情况。 教学内容: §1.相对论先驱者的思想 一 洛仑兹的收缩假说 迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”在最初人们并没有因此否定静止以太的存在,反而认为是实验可能失败了。或力图对实验结果作出种种解释。其中最具代表性的理论假说是荷兰物理学家洛仑兹的收缩假说。 1.洛仑兹(H.A.Lorenzt) 1853年7月生于荷兰。1870年考入莱顿大学,主攻数学、物理学和天文学,1875年12月获得博士学位,1877年被乌得勒支大学聘为数学教授,同年莱顿大学授予他荷兰唯一的理论物理学教授席位(24岁)。1912年洛仑兹辞去莱顿大学教授职务,去政府部门任高等教育部部长。他创立了电子论,首次把以太和普通物质分开,1895年提出著名的洛仑兹力公式。他将经典电磁场理论发展到了最后的高度,为相对论的诞生创造了条件。他因其电子论对塞曼效应进行了定量解释,与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖。 2.长度收缩假说的提出 1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运动》,用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验。他认为运动物体在其运动方向上的收缩,抵消了地球在以太中运行所造成的光程差,所以观察不到预期的条纹移动。他写到:“我终于想出唯一的方法来调和它与菲涅耳的理论:连接一个固体上的两点连线,如果开始平行于地球运动的方向,当它转过90℃后就不能保持原来的长度。如果令后一个位置的长度为L ,则前一个位置的长度为L(1-α)。”其中α=v2/2c2 。1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为 22 1c v ? 洛仑兹一直认为这种收缩是真实的,是由分子运动引起的。这与爱因斯坦提出狭义相对论有本质区别。 3. 一级近似的解释及地方时 洛仑兹的上述收缩假说只涉及到v 2/c 2的这种二级近似。1895年,洛仑兹发表了《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》,提出了地方时概念,他对麦克斯韦方程组施加了一种变换。其中时间t 变为“当地时间” t′=t–(v/c2)x ,电场E 变换为E′=E+v×B/c ,磁场B 变换为B′=B-v×E/c ,结果发现麦克斯韦电磁场方程组的形式不变。由此证明其收缩假说可以准确到v/c 一阶范围。这样就解释了迈克尔逊—莫雷实验。 “当地时间”t’=t–(v/c 2)x ,指在物体上的测得的时间,它与坐标系的平移速度有关。它表明,好象在运动坐标系上的时钟走慢了。洛仑兹认为地方时只不过是一个数学假设,不具有真实的物理意义,而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。与此相反,爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间,地方时才是唯一真实的时间。 4.实验验证的失败 ①按照洛仑兹的长度收缩假说,物体的密度在不同的方向上会有所不同,这样光通过它

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