赵峥：爱因斯坦与物理学的革命88页PPT
人教高中历史选修四第六单元第五课伟大的科学家爱因斯坦教学讲课文档
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思考 造就了科学巨匠de 优秀品质
有次一个美国记者问爱因斯坦关于他成
功的秘诀。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，我可以把这公式秘密告诉你 那就是：A＝X＋Y＋Z，A是成功，X是努 力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话，这
宇宙学、
统一场论
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爱因斯坦相对论的提出是不是完全否 定了牛顿的经典力学呢？
领域 成果
代表
经典物理学
宏观、低速 经典力学
牛顿
现代物理学
微观、高速 相对论、量子力学 （两大支柱）
爱因斯坦、普朗克
相对论是对经典力学的补充和发展
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导引体验：爱因斯坦的科学成就
科学成就 提出标志 原理
1933年，爱因斯坦在为英国一刊物撰稿时写 道：“科学是一种强有力的工具，如何使用它， 它是给人赐福还是给人降祸，则取决于人本身， 而不是取决于工具。刀子对人生活是有用的，但 是它能够用来杀人。……我们的惟一希望在于，拒
绝任何有助于战争准备或战争意图的行为。
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一战期间：爱因斯坦在一份仅有4人
光量子假说，解决了经典物理学无法解释的光电效应问题， 推动了量子力学的发展。
社会活动家
为人类和平进步 而斗争
社会责任感，历史使命感，无私奉献精神
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【如何评价爱因斯】
作为一个物理学家，他近乎单枪匹马 地完成了狭义相对论和广义相对论,同时又 与普朗克、玻尔共同奠定了量子力学的基 础。推动传统物理学到现代物理学的转变 。
赵峥教授讲座《从爱因斯坦到霍金》
2
洛伦兹的解释： 以太相对于绝对空间静止。
洛伦兹收缩：
l l0 1 v / c
2 2
l l 2lo t 2 2 0 cv cv c v
x’=x-vt
y’=y z’=z
t’=t
伽利略变换 （速度叠加的平行四边形法则）
洛伦兹变换：相对绝对空间的变换
x ( x vt ) / 1 v / c
杨振宁教授 洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光 洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理 论，不从哲学角度考虑 彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光 彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题, 不从实验和 测量的角度考查
爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题 既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥 林匹亚学院”） 洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物 理型的。
不是真实时间。
·推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；
1905 爱因斯坦发表相对论 （以太） 必须彻底抛弃绝对时间（同时的绝对性） （2）光速的绝对性 （3）“同时”是相对的，可以用光来对钟，定义“同 时” （4）新理论是一个时空理论
伯尔尼发明专利局工作
初期科研情况： 1901-------1篇论文
1902-------2篇论文 1903-------1篇论文 1904-------1篇论文
爱因斯坦的丰收年
1905-------5篇 3月 解释光电效应——光子说（6月发表） 4月 博士论文：测定分子大小的新 方法（4月提交）
爱因斯坦的创新之处： （1）坚持相对性原理
（2）认识到光速是绝对的
（3）时间 能量
空间
动量
究竟是谁创造了相对论？
人教版选修4 第六单元第5课 20世纪的科学伟人爱因斯坦教学课件共29张PPT(共29张PPT)
影响
狭义相对论
1905 《论动体的电动
力学》 ：相对性、光速
不变原理
近代物理学领域的一 次伟大革命
广义相对论
光电效应理 论
双生子宇航难题
（1）
（3）
（2） （4）
理想之一：“真”—为人类科学事业而奋斗
成就
内容
影响
狭义相对论 广义相对论
1905 《论动体的电动
力学》 ：相对性、光 速不变原理
近代物理学领域的一 次伟大革命
问一问：你的人生理想是什么
照亮我的道路，并且不断地给我新
的勇气去愉快地正视生活的理想，是真
、善和美。
——爱因斯坦
真
爱因斯坦向电视观众介绍核 武器对人类的巨大危害。
善
美
理想之一：“真”—为人类科学事业而奋斗
统一场论
实践印证
广义相对论
狭义相对论
光电效应
理想之一：“真”—为人类科学事业而奋斗
成就
内容
美元就够了。
及全世界都感谢他的教诲。
大
学
瑞士苏黎世联邦工业大学，主修数 学和物理，如饥似渴，打下基础
“不是我聪明，只是我和问题周 旋得比较久。”
“智慧并不产生于学历，而是来自对 于知识终身不懈的追求。
“成功＝努力工作＋懂得休息＋
少说废话。”
我很清楚，我本人没有特殊的天才。好奇心、 专心一致和顽强的耐心，结合自我批评的精神， 这些给我带来了我的概念。
1916《广义相对论的 基础》：等效原理、 广义相对性
促进了人们对宇宙的
认识及观测研究和理 论探讨
光电效应理 论
• 1919年5月，英 国派出了两支远征 队分赴非洲和南美 两地观察日全食， 经过认真的研究得
物理学的重大发展PPT课件
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爱因斯坦能够取得伟大成就有哪些条件? （1）科学发展提供的基础； （2）科学发展需要提供动力； （3）个人坚持不懈勤奋追求真理的优秀品质； （4）科学的工作和研究方法。
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1875年时，普朗克在慕尼黑 大学学物理，物理老师曾劝他不 要学纯理论，因为物理学“是一 门高度发展的、几乎是臻善臻美 的科学”，现在这门科学“看来 很接近于采取最稳定的形式。也 许，在某个角落里还有一粒尘屑 或一个小气泡，对它们可以去进 行研究和分类，但是，作为一个 完整的体系，那是建立得足够牢 固的。而理论物理学正在明显地 接近于几何学在数百年中所已具 有的那样完美的程度。”
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第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星的回归周期。长期以来到，人们 一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，根本不能用科学来说明。牛 顿说，既然彗星也是天体，就必然遵循力学规律。他的好友哈雷用牛 顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75— 76年，由此预言它将在1758年再次出现。哈雷1705年发表这个预言， 当时他已49岁，却要预言53年以后的事，岂非耸人听闻？可是1758 年这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。牛顿力学剥掉了彗 星的神秘外衣，对它的运行作出了科学预见，这又是一个奇迹。
有了牛顿力学，秀才不出门，能知地球事，能知天上事。牛顿力学创造的 一次又一次奇迹，使科学享有崇高的威望。
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然而，科学总是向前 发展的。20世纪初，在 牛顿经典物理学达到顶 峰，形成一种权威的时 候，科学上一系列无法 解释的现象越来越需要 科学本身的发展来解决。
爱因斯坦ppt课件
PART 04
哲学思想
科学和哲学的关系
科学和哲学相互影响
爱因斯坦认为科学和哲学是相互影响 、相互促进的。科学的发展推动哲学 思考，而哲重要性， 认为科学是通过观察和实验来验证理 论的过程，而哲学则是对这些理论进 行深入思考和探讨。
哲学观点
预言了黑洞、引力波等天体现 象，为现代天文学和宇宙学提 供了重要的理论支持。
为核能和原子能的研究和应用 奠定了理论基础，对20世纪的 技术革命产生了深远的影响。
PART 03
科学思想和方法
科学思想
相对论
爱因斯坦提出了相对论，改变了人们 对时间和空间的认识，为现代物理学 奠定了基础。
科学实在论
爱因斯坦认为科学是对现实世界的客 观描述，科学理论是对自然规律的近 似表达。
实在论
爱因斯坦认为现实是独立于意识存在的，这与唯心主义观点 相反。他主张通过科学方法来揭示自然界的客观规律。
知识经验
爱因斯坦认为知识是通过经验积累而来的，而不是通过先验 或直觉获得的。他强调实证主义，即只有通过观察和实验验 证的知识才是可靠的。
对哲学发展的影响
推动科学哲学发展
爱因斯坦的科学哲学思想对现代 科学哲学产生了深远的影响。他 的观点和方法论为后来的科学哲 学家提供了重要的启示和借鉴。
对科学发展的影响
推动物理学进步
爱因斯坦的相对论和光电效应理 论等对物理学的发展产生了深远
影响。
启发后继研究者
爱因斯坦的科学思想和研究方法对 后来的科学家产生了深远的影响， 许多科学家都受到了他的启发和鼓 舞。
改变人类文明进程
爱因斯坦的科学成就不仅推动了物 理学的发展，也对整个人类的文明 进程产生了深远的影响。
统一场论
20世纪的科学伟人爱因斯坦(共30张PPT)
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3．20世纪初，爱因斯坦相对论的提出是物理学的一场 变革。因为它 …………
A．否定了经典力学体系 B．打破了绝对时空观 C. 彻底解决了19世纪以来物理学面临的危机 D. 标志着对物质世界的认识开始进入微观粒子世界
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不修边幅的社会活动家 社会和平的坚定捍卫者
1、一战时:在反战宣言书上签字
2、一战后:积极致力于恢复各国人民的相互谅解
3、二战时:建议美国抢在德国之前研制原子弹， 但痛心用原子弹轰炸日本
4、二战后:致力于防止核战争，领导组织“原子 科学家非常委员会”，倡议科学家用自己的言行 维护世界和平。
第 广义相对论：
二
提出:1916 年，发表了《广义相对论的基础》。
章 基本原理： 等效原理 和 广义相对性 。
意义：广义相对论改变 人们对宇宙的认识 ；
伟
在它的指引下，宇宙演化的观测研究及
大
理论探讨前所未有地蓬勃开展起来。
成
就
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——20世纪的科学伟人爱因斯坦
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“爱因斯坦”无处不在
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联合国大会将2005年确定为“国际物理年”， 这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪 念活动。
爱因斯坦
爱因斯坦及其对物理学的贡献爱因斯坦 1879年 3月 14日出生于德国一个犹太工厂主的家庭[ 1]. 他很晚才学会讲话, 以至于父母曾怀疑他的智力有问题. 他从小沉默寡言, 喜欢独自一个人看书、摆弄玩具或其他物品. 上学后成绩一般. 他的犹太血统, 无神论信仰和孤独的性格, 使他不受老师和同学的喜爱. 当时德国有一个风气, 中产阶级的家庭往往会邀请一个贫困的大学生到家里度周末. 爱因斯坦家里也来了一个大学生. 这个大学生发现小爱因斯坦很爱看书, 每次来度周末都给他带来各种书籍, 包括科普读物、化学、物理、地质乃至几何、哲学书籍. 小爱因斯坦似懂非懂, 但都表现出极大的兴趣. 他不愿意跟别人交谈但很愿意与这位大学生交谈. 这位大学生的来访, 可能对小爱因斯坦的智力开发起了不小的作用. 爱因斯坦还有一个常人缺乏的优点: 能够长时间的集中注意力, 这一优点贯穿了他的一生. 父母经常看见他躲在一边专心致志地看书或摆弄小物品. 爱因斯坦的父母是不成功的生意人, 在慕尼黑的工厂破产后, 举家前往意大利投亲靠友, 只把小爱因斯坦留在慕尼黑的一所重点中学学习. 爱因斯坦不喜欢这所学校的军国主义管理方式和呆板的教学方法, 学校也对爱因斯坦的犹太血统、怀疑主义和自由思想感到厌恶. 正当爱因斯坦找医生开了一份神经衰弱的证明, 准备申请休学半年去探望父母时, 校方已经迫不及待地找他谈话, 建议他退学. 一听退学, 爱因斯坦吓了一跳, 但转念一想, 这样也就可以永远离开这所讨厌的学校了, 于是他愉快地接受了校方的建议. 年轻的爱因斯坦热爱数学和物理, 决心到瑞士德语区去求学. 他第一次投考苏黎士工业大学没有考上. 于是进入瑞士的阿劳州立中学补习. 这所学校给学生以充分的自主和自由. 爱因斯坦一生中对学校很少有好印象, 只有阿劳中学是个例外. 他晚年时回忆道, 这所学校用它的自由精神和那些毫不仰赖外界权威的教师的淳朴热情培养了我的独立精神和创造精神. 正是阿劳中学才成为孕育相对论的土壤 . 经过一年的补习, 爱因斯坦终于如愿以偿进入苏黎士工业大学教育系学习. 这是一个培养数学、物理教师的系, 所开课程主要是数学和物理. 闵可夫斯基 (H! M inkowski)、韦伯 (不是姓名用于命名磁通量单位的那个韦伯 )等著名数学、物理教授在那里讲课. 但爱因斯坦有他自己的一套学习方法, 他愿意自己去读当时一些大科学家写的名著, 而不愿去听课. 幸亏他的女友米列娃! 玛里奇帮他记笔记. 米列娃相貌平常, 而且脚有残疾, 是一个善良、严肃、沉静具有自由思想的塞尔维亚姑娘, 是充满活力的爱因斯坦的忠实听众. 爱因斯坦的另一位好友格罗斯曼 (M! G rossmann)勤奋认真、成绩优秀, 而且在考试前的关键时刻, 乐于把自己的笔记借给他用. 在他们二人的帮助下, 爱因斯坦才没有补考留级, 并有空读了不少有用的书籍, 思考了许多物理学的基本问题. 但是, 爱因斯坦却得不到老师的重视和喜爱. 由于他不常去听课, 闵可夫斯基教授对爱因斯坦没有什么印象. 韦伯教授倒是对他有印象, 但没有好印象. 韦伯不但烦他不来听课, 还认为他没有礼貌, 居然称呼他韦伯先生 , 而不是韦伯教授 . 毕业时格罗斯曼等几个同学令人羡慕地留校工作, 而爱因斯坦则不得不拿着文凭离开工大. 米列娃连文凭都没有拿到, 只拿到结业证书, 因为文凭不发给妇女. 离开校门的爱因斯坦在求职过程中尝尽了辛酸. 犹太血统和无神论信仰, 增加了他找工作的困难. 经济的拮据使得爱因斯坦不得不在电线杆上张贴广告, 试图讲授数学、物理和小提琴来赚钱糊口. 他曾当过补习老师, 也曾为老同学帮自己找到几个月的临时工作而喜出望外. 好长一段时间, 他没有固定的收入. 爱因斯坦当时真是诸事不顺, 四面碰壁, 他与米列娃的婚事也遭到父母的坚决反对. 1902年, 幸运之神开始敲响爱因斯坦的门户. 伯乐式的朋友格罗斯曼设法把他推荐给伯尔尼的发明专利局局长. 在那里, 爱因斯坦终于得到一个固定的工作, 虽然只是最低等的三级职员, 但毕竟有了一份稳定的收入, 使爱因斯坦有了结婚的经济基础. 同时, 由于爱因斯坦的坚持, 他父亲终于在临终前同意了这门婚事. 同米列娃结婚之后, 两个儿子相继来到人间. 家庭负担的加重, 使他们的经济重新拮据起来. 但是, 爱因斯坦是一只快活的小鸟 , 他在艰苦的条件下, 继续思考着科学中最重要的问题. 人们时常看到他用小车推着两个儿子在马路上散步, 并不时停下来用笔记下思考的心得. 爱因斯坦经常审理发明永动机的申请, 这虽然费去他一些时间, 但荒唐而活跃的思想也多少给他输入新的灵感. 重要的是, 专利局的工作使他有充分的闲暇来研究自己喜爱的东西. 他把想看的书摊开放在抽屉内, 无事时便打开抽屉偷看, 一旦上司出现, 就赶快把抽屉关上. 即使在今天看来, 这件清闲的工作对爱因斯坦也是再合适不过了. 他的大多数成就, 都是在这个职位上做出的. 最初爱因斯坦研究毛细现象, 然后研究布朗运动、光电效应和时空理论, 发表了一系列重要论文. 应该说, 他发表的论文总数并不算多. 1901年, 发表 1篇; 1902年, 2篇; 1903年 1篇; 1904年 1篇. 1905年, 除去博士论文外, 爱因斯坦连续完成了 4篇重要论文. 爱因斯坦在 1905年 26岁时做出的成就, 在科学史上, 只有牛顿 23- 25岁在乡下躲避瘟疫那段时间取得的成就可以与之相比. 爱因斯坦关于光量子的观点奠定了量子论理论的基础; 爱因斯坦建立的相对论开创了物理学的新纪元.2 光量子1900年, 在英国皇家协会迎接新世纪的庆祝会上, 德高望重的物理学家开尔文勋爵 ( L. Kelvin即 W. Thomson)以乐观的心情展望了物理学的未来. 他认为, 物理学的大厦已经建成, 未来的物理学家们只需要作些修修补补的工作就可以了. 然而, 独具慧眼的他又谈到, 明朗的天空中还有两朵乌云, 一朵与黑体辐射 (平衡热辐射 )问题有关, 另一朵与迈克尔逊实验有关[ 2- 5]. 事隔不到一年, 就从第一朵乌云中降生了量子论. 5年之后, 又从第二朵乌云中降生了相对论. 人们突然发现存在着更为辽阔的物理世界, 原来觉得宏伟的物理大厦, 只不过是位于物理世界一角的一座经典殿堂而已. 黑体辐射的研究起源于发展钢铁工业的需要. 测量冶金炉上小孔射出的黑体辐射, 可以了解到炉内铁水的温度. 物理学家们希望能从原子理论计算出黑体辐射的曲线. 当时人们已经认识到热辐射和光辐射本质上都是电磁波. 物理学家们设想原子就像一个个谐振子, 它们吸收电磁辐射震动就会加剧, 释放辐射, 震动就会减弱. 为此, 德国的维恩 (W. W ien)和英国的瑞利 ( J. W. S. Rayleigh)、金斯 ( J. H. Jeans)构造了不同的辐射模型, 但都与实验曲线不符. 维恩计算的理论曲线在短波波段与实验符合较好, 在长波波段符合较差. 瑞利 - 金斯曲线则在长波波段与实验符合较好, 但在短波波段符合很差, 理论曲线趋于发散, 即所谓的紫外光灾难. 这就是开尔文谈到的与黑体辐射有关的困难.1900年底, 德国物理学家普朗克 (M. Planck)发现, 如果认为原子吸收和发出电磁辐射时是一份一份的, 不连续的, 理论曲线就会与实验曲线符合. 于是, 他提出量子说, 认为原子吸收和发射辐射时, 辐射能会以不连续的量子形态出现, 每个量子的能量与它的频率成正比 E= h . ( 1) 比例常数即所谓的普朗克常数. 普朗克意识到了这一发现的重要性. 他在与儿子一起出去散步的时候谈到: 我最近做出了一个重要的发现, 如果它是正确的, 将能与牛顿的成就相比美. 然而, 这一发现实在太不可思议了, 具有崇高学术声望的普朗克不得不谨慎行事. 在初次向外披露这一发现时, 他讲得十分保守, 以至于一些听报告的人认为这次白来了一趟, 普朗克教授什么也没有讲出来. 1901年, 普朗克的论文正式刊出, 学术界以十分惊讶的心情, 接受了这一不可思议但又与实验符合极好的新理论. 1905年, 一个名不见经传的年轻人爱因斯坦 ( A. Einstein), 把普朗克的量子说推广为光子说, 并用此解释了光电效应. 量子说与光子说的主要差别在哪里呢? 原来, 普朗克虽然认为原子吸收和发射辐射时是一份一份的, 但认为辐射在脱离原子时仍然是连续的. 有一位记者曾经问普朗克: 你一会儿说辐射是不连续的, 一会儿又说辐射是连续的, 到底是连续的还是不连续的呢? 普朗克回答说, 在一个小湖边有一口水缸, 有人用小碗从水缸里把水一碗碗舀出来, 倒入湖中, 你说水是连续的呢还是不连续的呢? 这一回答十分清楚的表达了普朗克的量子思想. 爱因斯坦的光子说则认为, 辐射不仅在原子发射和吸收它时是一份一份的, 不连续的, 而且在脱离原子而独立存在时, 也是一份一份, 不连续的. 这就是说辐射无论在与物质相互作用过程中, 还是在传播过程中都是量子化的. 普朗克不同意爱因斯坦的光子说 , 他在给维恩教授的信中说: 当然了, 爱因斯坦的观点肯定是错误的∀但是, 普朗克表现了崇高的学术道德, 他虽然对爱因斯坦的观点有所保留, 但还是建议德国物理年鉴发表这篇论文. 同时他写信给爱因斯坦, 还派自己的助手劳厄专程去拜访爱因斯坦, 对光量子理论作深入的探讨. 大约 10年后, 普朗克和整个学术界终于接受了爱因斯坦关于光量子的观点. 以上所说的, 就是从第一朵乌云中降生的量子论. 普朗克迈出了量子理论的开创性的一步, 然而由于经典观念的束缚, 他这一步迈得很不彻底. 爱因斯坦走了重要的第二步, 把量子观念彻底化. 让物理界感到震惊的是, 在这篇论文问世之后, #物理年鉴∃在同一年又在普朗克的支持下发表了爱因斯坦的另外 3篇论文. 7月发表用分子运动论解释布朗运动的论文 (间接证明了分子的存在 ); 9月发表论运动物体的电动力学 (即狭义相对论 ); 11月发表 E = mc2 的论文. 从今天的观点看来, 上述 4篇论文差不多都是可以获得诺贝尔奖的. 1905年, 成为了震动世界的一年, 一个原来无人知晓的 26岁的青年人开创了物理学的新纪元.3 狭义相对论建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就 [ 6- 8]. 1900年前后, 在人们头脑中以太观念占统治地位, 大家都认为光波 (电磁波 )是以太的弹性振动, 麦克斯韦 ( J. C Maxwell)就是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的. 一个需要弄清的问题是, 地球相对于以太是否运动? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受. 地球不是宇宙的中心, 不应该相对于绝对空间静止. 比较合理的想法是: 以太相对于绝对空间静止, 地球相对于以太 (即相对于绝对空间 )运动. 天文学的光行差现象 ( 1728, 1810)支持这一观点. 但是, 精密的迈克尔逊 (A. M ichelson, 1881, 1887)实验却没有测到这一运动. 这就是开尔文所说的第二朵乌云. 另外, 法国人斐索 (A. H. F izeau, 1851)的流水实验表明: 运动介质似乎会部分地带动以太, 但又不全带动, 即地球相对于以太似乎有一定程度的运动.第 27卷第 1期赵峥: 爱因斯坦及其对物理学的贡献 9斐索实验也与光行差现象矛盾. 当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾, 而爱因斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾. 总之, 大家都觉得以太理论出现了矛盾. 洛伦兹 (H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹 ( G! F! F itzgerad, 1889, 1893)各自独立地注意到, 如果假定刚尺在相对以太 (绝对空间 )运动的方向上会有如下的长度收缩 (洛伦兹收缩 ) l= l0 1- v2 /c2. ( 2) 则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度 (他们认为这一速度实际是存在的 , 只是测不出而已 ), 这样, 迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除. 式中 v是刚尺相对以太的运动速度, c是光速, l0 是刚尺静止时的长度, l则是刚尺相对以太运动时的长度. 洛伦兹注意到, 从当时公认的伽利略变换 x%= x- vt, y%= y, z%= z, ( 3) t%= t 不仅推不出 ( 2)式, 而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变. 洛伦兹 1904年给出了一个新的惯性系之间的变换关系 x%= x- vt 1- v2 /c2 , y%= y, z%= z, ( 4) t%= t- (v/c2 )x 1- v2 /c2 . 此关系可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变, 而且可以推出洛伦兹收缩的公式 ( 2). 变换 ( 4)称为洛伦兹变换, 它与伽利略变换的区别不仅在数学形式上, 而且在物理观念上. 伽利略变换是任意两个惯性系之间的变换, v是两个惯性系之间的相对速度. 洛伦兹变换则是任一相对绝对空间运动的惯性系 (x% , y% , z% , t%) 与绝对空间静止系 (一个特殊的惯性系 x, y, z, t)之间的变换, v是相对于绝对空间 (即以太 )的速度, 是绝对速度. 洛伦兹给出变换( 4)的代价是放弃了相对性原理, 认为麦克斯韦电磁理论仅在相对于绝对空间静止的参考系中成立. 同时认为洛伦兹收缩是真实的物理效应, 会导致物质原子结构的变形. 1905年, 爱因斯坦在不知道洛伦兹等人工作的情况下, 在 #论运动物体的电动力学∃一文中从相对性原理和光速不变原理出发, 独立地导出了洛伦兹变换 (4). 但对 ( 4)式的物理解释, 爱因斯坦与洛伦兹完全不同. 洛伦兹认为 (4)式是惯性系 (x% , y% , z% , t%)相对于绝对空间静止系 (x, y, z, t)的变换, v是相对于绝对空间的绝对速度. 爱因斯坦则认为根本不存在绝对空间和以太, ( 4)式是任意两个惯性系之间的变换, v是两个惯性系之间的相对速度. 洛伦兹没有能跳出绝对时空观的框架, 他反对爱因斯坦的观点, 为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论, 他给爱因斯坦的理论起了个名字叫相对论 . 爱因斯坦和整个物理界欣然接受了这一命名. 我们看到非常有趣的情况, 洛伦兹变换是相对论 (狭义相对论 )的核心公式, 但它首先不是由爱因斯坦给出, 而是由洛伦兹给出的. 只不过洛伦兹没有能正确认识它的物理意义. 当时许多人都已接近相对论 (狭义相对论 )的发现, 除去上面提到的洛伦兹收缩和洛伦兹变换之外, 在爱因斯坦的论文发表之前, 拉摩 ( J. J. Larmor)已经给出了运动时钟变慢的公式, 彭卡莱 (H. Poincare)已经正确地阐述了相对性原理, 并推测真空中的光速可能是常数, 而且可能是极限速度. 此外, 在一些特殊的情况下, 质量公式m =m0 1- v2 /c2和质能关系式 E= m c2 ( 6) 均已有人给出. 但是, 首先正确阐述相对论, 认识到它是一个时空理论, 并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦, 而不是别人. 这是因为, 只有爱因斯坦在两个基本观念 ( 相对性原理和光速的绝对性 )上同时实现了突破. 一般介绍相对论的文章都非常强调爱因斯坦之所以能建立相对论, 关键是他坚持了相对性原理 . 在当时的情况下, 正确地认识到相对性原理是应该坚持的一条根本性原理, 并认识到伽利略变换并不等价于相对性原理 , 然后放弃后者而坚持前者, 的确是十分不容易的. 洛伦兹和大多数物理学家都没有认识到相对性原理是最应该坚持的根本性原理. 但是, 应该注意到, 关于运动相对性的观念自古以来各国都有, 例如我国宋朝诗人陈与义的诗: 飞花两岸照船红, 百里榆堤半日风, 卧看满天云不动, 不知云与我俱东. 到了 17世纪, 伽利略已能通过对话的形式正确地给出相对性原理的基本内容. 牛顿虽然认为存在绝对空间, 同时认为转动是绝对运动, 但他还是认为各个惯性系大体上是等价的. 应该说, 牛顿在他的理论中部分地应用了相对性原理. 直到1900年前后, 虽然洛伦兹等人考虑放弃相对性原理, 但由于马赫 ( E. M ach)对牛顿绝对时空观的勇敢批判, 深受马赫影响的爱因斯坦还是比较容易认识到应该坚持相对性原理的. 然而, 仅仅认识到坚持相对性原理 , 还不足以建立相对论. 彭卡莱已经正确地阐述了相对性原理 , 并认识到了真空中的光速是一个常数, 甚至认识到光速可能是极限速度, 但是他仍未能建立相对论. 这是因为建立相对论还必须实现观念上的另一个突破: 认识到光速的绝对性. 笔者认为, 认识到光速的绝对性是最困难的物理观念突破. 光速的绝对性在一般相对论书籍中是用光速不变原理或麦克斯韦电磁理论来表述的, 这样的表述方式虽然正确, 但不容易使读者认识到这一观念是多么地让人难以接受. 光速不变原理不仅是说真空中的光速均匀各向同性, 是一个常数 c, 更重要的是说在任何惯性系中测量, 真空中的光速都是同一个常数 c. 按照人们的日常观念, 如果相对于光源静止的观测者测得的光速是 c, 那么以速度 v向着光源运动的观测者测到的光速将是 ( c+ v). 而以速度v背离光源运动的观测者测到的光速将是 ( c- v). 爱因斯坦提出的光速不变原理则是说, 上述 3个观测者测得的光速都是同一值 c. 也就是说, 在爱因斯坦看来, 光速是绝对的, 对任何观测者都一样, 与光源相对于观测者的运动无关. 爱因斯坦能够从纷乱的理论探讨和实验资料中, 认识到应该把光速看作绝对的, 并毅然提出这一全新的观念, 是极其难能可贵的. 爱因斯坦以相对性原理和光速的绝对性 ( 光速不变原理 )为基石, 建立起狭义相对论的理论体系, 并得到大量重要的让人难以理解的结论. 其中, 他指出同时不是一个绝对的概念, 而是一个相对的概念, 也是观念上的重要突破. 在此之前, 人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点, 对不同观测者会有不同的结论, 即同地是一个相对的概念. 但两个事件是否同时发生, 则都认为是一个绝对的概念, 即任何观测者都会有相同的结论. 爱因斯坦突破了这一观念, 指出同时也是相对的, 只不过我们通常接触到的参考系, 运动速度较小, 同时的相对性不明显. 当运动速度接近光速时, 同时的相对性将明显地表现出来. 在认识到同时的相对性之后, 动钟变慢、动尺缩短 (洛伦兹收缩 ) 等效应就会变得比较容易理解. 爱因斯坦提出相对论的划时代论文, 充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具, 并且没有引用任何参考文献. 如果放在今天, 这样的文章恐怕很难通过审稿. 一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容, 就是会轻视作者的数学水平, 或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流, 显得没有水平. 爱因斯坦很幸运, 这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿,一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上. 此后, 他又连续发表几篇论文, 建立起狭义相对论的全部框架.4 广义相对论相对论 (狭义相对论 )发表之后, 爱因斯坦很快认识到自己的理论有两个严重因难. 牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系, 相对论不承认有绝对空间, 这就给惯性系的定义造成了困难. 整个相对论建立在惯性系的基础上, 惯性系却无法定义, 理论的基石出现了问题. 此外, 虽然电磁理论与相对论相容, 万有引力却纳不进相对论的框架. 当时只知道这两种力, 其中一种力的理论就与相对论有矛盾, 此困难之严重可想而知. 不过, 当时只有爱因斯坦一个人认识到了上述困难, 其余人都在忙着理解相对论本身. 爱因斯坦单枪匹马地展开了对这两个困难的研究. 几年之后他就认识到不应就事论事, 而应该独辟蹊径. 在几经考虑之后, 他决定不去勉强定义惯性系, 而是暂时躲开这一因难, 他决定取消惯性系在物理理论中的特殊地位, 把相对性原理 (物理规律在所有惯性系中都相同 )推广为广义相对性原理 , 物理规律在所有参考系 (包括惯性系和非惯性系 )中都相同. 这样, 就可以不必定义惯性系, 也就躲开了这一困难. 但是, 非惯性系中有惯性力, 如何处理惯性力呢? 他很快从马赫对水桶实验的讨论得到启发, 认识到引力与惯性力可能有相同的起源 (马赫原理 ). 在用牛顿理论对伽利略的自由落体实验进行分析之后, 他悟出了等效原理 (引力场与惯性场局域不可区分 ). 最重大的突破在于他猜出了万有引力不是真正的力, 而是一种几何效应. 把物理规律的本质看作几何, 这是任何其他人完全想不到的事情. 他猜测物质的存在会引起时空的弯曲, 万有引力正是时空弯曲的表现. 他基本上独自一个人完成了新理论的构建. 他把新理论看作相对论的推广, 命名为广义相对论, 此后就把原来洛伦兹命名的那部分相对论称为狭义相对论[ 9- 12]. 认识到万有引力是几何效应, 认识到物质的存在会影响时空的几何, 会使时空弯曲, 而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动, 是人类认识史上的一次大飞跃. 在广义相对论看来, 由于万有引力不是真正的力, 地球上的自由落体运动和太空中的行星绕日运动都是惯性运动, 它们在时空中描出的轨迹, 是直线在弯曲时空中的推广&&& 短程线. 不过, 需要说明, 由于四维时空中的几何实际上是伪欧几里得或伪黎曼的, 作惯性运动的自由质点描出的短程线 , 不是两点间的最短线, 而是最长线. 当时空恢复平直时, 短程线就成为通常的直线. 严格而美妙的数学物理体系, 高深难懂的黎曼几何和张量分析, 精密神奇的实验验证, 再加上爱因斯坦发表狭义相对论和光子说的巨大影响, 使广义相对论一下就得到了科学界的承认. 爱因斯坦的威望也达到了一生中的顶峰. 实际上广义相对论的建立比狭义相对论要漫长得多. 最初, 爱因斯坦企图把万有引力纳入狭义相对论的框架, 几经失败使他认识到此路不通. 反复思考后他产生了等效原理的思想. 爱因斯坦曾回忆这一思想产生的关键时刻: 有一天, 突破口突然找到了. 当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里, 脑子忽然闪现了一个念头, 如果一个人正在自由下落, 他决不会感到自己有重量. 我吃了一惊, 这个简单的理想实验给我的印象太深了. 它把我引向了引力理论. ∀∀ . 从 1907年发表有关等效原理的论文开始, 爱因斯坦几乎单枪匹马奋斗了 9年, 才把广义相对论的框架大体建立。
爱因斯坦与物理学的革命(赵峥教授)_63页PPT
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克