相对论的发展

•4、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)
•≥
•≤
•
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相对论的发展
•《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
相对论的发展
•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。
～1克
～1吨
～10亿 吨
～100 亿吨
1862年（天狼 伴星）
1967年（脉冲 星）
1.4 2～3
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•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
• 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。
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•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～）
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• 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
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1.相对论（狭义相对论 Special Relativity）
空间曲 平行线 率
黎氏几何 正 欧氏几何 零 罗氏几何 负
无
一条
两条以 上
三角形 三内角 之和
>1800
＝1800
<1800
圆周率
<π ＝π >π
举例
球面 平面 伪球面
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•4）广义相对论的核心
•场方程
• 时空曲率 物质 • 物质使时空弯曲
•运动方程
• 测地线方程
•万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表 现 •地球上的自由落体运动 •都是惯性运动
•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
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•＊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）
•
•（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）
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•3）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
•1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。
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•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。
•奇性定理（首功属于彭若斯）
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•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
•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！
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相对论的发展
•
爱因斯坦生平：
•1879年3月14日
• •1895年 •1896～1900年 •1902～1909年
相对论来自百度文库发展
•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）
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•1905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下
•
光行差现象
••考虑 •
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•宇宙项：
•
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• 宇宙项 （1917年提出，1923年放弃）
相对论的发展
•暗物质与暗能量
•亮星
0.5％
•
重子
•物
• •暗物质 中微子
质
•
冷暗物质
4％ 0.3％ 29％
•
起源于λ
•
•暗能量 动力学暗能量
•65％
•
GR在宇观尺度失效
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相对论的发展
•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”
相对论的发展
•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
白矮 星
中子 星
黑洞
70万 1万 10 3
相对论的发展
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/29
相对论的发展
斐索实验 （迈克尔逊实验）
•从
相对论原理
•
光速不变原理
•洛伦兹变换
•爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对， •洛伦兹称其为相对论
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•相对论提出
•动尺收缩， •动钟变慢， •双生子佯谬，
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相对论的发展
•2、广义相对论（General Relativity）
•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
•行星绕日运动
•（伽利略的有 趣“错误”）
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相对论的发展
•5）实验验证 •引力红移、 •光线偏折、 •行星轨道近日点的进动
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相对论的发展
•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＝HD •1948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
•1974年
霍金辐射
•80年代后
无重大进展
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•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≥ 0 •Bekenstein 公式：
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•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，泡力的相观对论点的发展
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•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
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•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：
•建立黑洞热力学
•面积定理 δA≥ 0
•霍金辐射（最重大成就）
•显示出相对论与热力学之 间可能有本质的联系！
•迈克尔逊实验：未测到以太漂移（1887年）
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相对论的发展
•洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年） •洛伦兹收缩
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•x’=x-vt •y’=y •z’=z •t’=t
•伽利略变换
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•x’= •y’=y •z’=z •t’= •洛伦兹变换
• 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C是一个常数
•光速对不同参 考系应不同， 不应是同一个 C值
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＊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
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•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。
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诞生于德国乌尔姆 中小学时代 德国慕尼黑 瑞士阿劳中学补习班一年 苏黎世工业大学 伯尔尼发明专利局
•1909～1914年 •1914～1933年
• •1915年 •1933～1955年
进入大学工作 （瑞士、布拉格等地） 德国物理研究所所长， 柏林大学教授，院士 提出广义相对论 美国普林斯顿大学高级研究所
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相对论的发展
•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
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•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
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•3）广义相对论的数学基础: •黎曼几何与张量分析
•欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切 夫斯基）、黎氏几何
•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∝a
•⑥霍金辐射：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射，
T∝K
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•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.
•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（Thoms Young） 英国人
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•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)
相对论的发展
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2020/11/29
相对论的发展
•爱因斯坦、霍金与相对论的发展
•物含妙理总勘寻
•
－－颐和园铜亭
• 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
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相对论的发展
•赵峥教授
•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，
•美国富兰克林学会：牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、杨振 宁
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•4）杨振宁的主要贡献：
•规范场： （1953年 31岁） •宇称不守恒 （1956年 34岁） •杨－巴克斯特方程 （1967年 45岁）
•李政道（31岁）、杨振宁（35岁） •获诺贝尔奖（1957年）