第十二講相對論的世界

1、1第十二講相對論的世界19世紀(jì)理論科學(xué)的巔峰狀態(tài)以及其中隱含的危機(jī)以物理學(xué)最為典型。海王星的發(fā)現(xiàn)顯示了牛頓力學(xué)無比強(qiáng)大的理論威力，光學(xué)、電磁學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出了一個較為完整的框架，德國著名物理學(xué)家普郎克年輕時曾向他的老師表示要獻(xiàn)身于理論物理學(xué)，但他的老師勸他：“年輕人，物理學(xué)已經(jīng)完成了科學(xué)，還會再有多大的發(fā)展了，將一生獻(xiàn)給這門科學(xué)，太可惜了?！痹?0世紀(jì)降臨之際，著名熱力學(xué)家開爾文在英國皇家學(xué)會迎接新世紀(jì)的慶祝會上致辭說：經(jīng)典

2、物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學(xué)家們只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就行了。他的講話，顯示了當(dāng)時物理學(xué)界對自己在力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)諸領(lǐng)域取得的成就的自豪感和信心。然而，開爾文不愧為杰出的物理學(xué)家，它同時指出明朗的天空中還有兩朵烏云，一朵與黑體輻射碰到的困難有關(guān)，另一朵與“以太”（光行差）理論碰到的困難有關(guān)。實(shí)際上物理學(xué)中大量的新現(xiàn)象與已成完美體系的古典理論之間的矛盾日漸突出，釀成了深刻的危機(jī)。正是這兩朵烏云的到來引起了世紀(jì)之交的一場物理

3、學(xué)革命，在這場革命中誕生了相對論和量子力學(xué)。而相對論的創(chuàng)立者就是偉大的物理學(xué)家——愛因斯坦。1.愛因斯坦生平愛因斯坦（AlbertEinstein1879～1955）20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，二十世紀(jì)物理學(xué)革命的旗手。1879年3月14日生于德國烏耳姆一個經(jīng)營電器作坊的猶太人小業(yè)主家庭。一年后，隨全家遷居慕尼黑。父親赫爾曼愛因斯坦和叔父雅各布愛因斯坦在那里合辦一個為電站和照明系統(tǒng)生產(chǎn)電機(jī)、弧光燈和電工儀表的電器工廠。母親玻琳是受過中等教

4、育的家庭婦女，非常喜歡音樂，在愛因斯坦六歲時就教他拉小提琴。愛因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠里專門負(fù)責(zé)技術(shù)方面的事務(wù)，愛因斯坦的父親則負(fù)責(zé)商業(yè)的往來。雅各布是一個工程師，自己就非常喜愛數(shù)學(xué)。在叔父的影響下，愛因斯坦較早的受到了科學(xué)和哲學(xué)的啟蒙。12歲時他就讀了《幾何原本》，并練習(xí)用自己的方法證明定理。13歲時讀了康德的《純粹理性批判》，使他的思考轉(zhuǎn)向宇宙、哲學(xué)和自然現(xiàn)象中的邏輯。愛因斯坦十六歲時報考瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)工程系，可是入學(xué)

5、考試卻告失敗。1895年在阿勞入大學(xué)預(yù)科班，那時的他有隨時將思考的問題記入身邊的小本的習(xí)慣，例如“追光問題”：觀察者隨光前進(jìn)時，會不會看見電磁波形成停止的駐波？1896年10月，愛因斯坦在蘇黎世工業(yè)大學(xué)的師范系學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。在學(xué)校中，他廣泛的閱讀了赫爾姆霍茲、赫茲等物理學(xué)大師的著作，他最著迷的是麥克斯韋的電磁理論。1902年6月23日，愛因斯坦正式受聘于專利局，任三級技術(shù)員，工作職責(zé)是審核申請專利權(quán)的各種技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造。1903年，他

6、與大學(xué)同學(xué)米列娃.瑪麗克結(jié)婚。此后在這里的7年是他輝煌的科學(xué)創(chuàng)造時期。1900～1904年，愛因斯坦每年都寫出一篇論文，發(fā)表于德國《物理學(xué)雜志》。1901年提出統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一些基本理論，1904年的論文認(rèn)真探討了統(tǒng)計(jì)力學(xué)所預(yù)測的漲落現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)能量漲落取決于玻爾茲曼常數(shù)。它不僅把這一結(jié)果用于力學(xué)體系和熱現(xiàn)象，而且大膽地用于輻射現(xiàn)象，得出輻射能漲落的公式，從而導(dǎo)出維恩位移定圖111愛因斯坦31915年11月25日的論文《引力的場方程》中，他放

7、棄了對變換群的不必要限制，建立了真正普遍協(xié)變的引力場方程，宣告廣義相對論誕生了。1916年6月，愛因斯坦在研究引力場方程的近似積分時，發(fā)現(xiàn)一個力學(xué)體系變化時必然發(fā)射出以光速傳播的引力波，從而提出引力波理論。1979年，在愛因斯坦逝世24年后，間接證明了引力波存在。1917年，愛因斯坦用廣義相對論的結(jié)果來研究宇宙的時空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對論對宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無限的”這一傳統(tǒng)觀念，指出它同牛頓引

8、力理論和廣義相對論都是不協(xié)調(diào)的。他認(rèn)為，可能的出路是把宇宙看作是一個具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，以科學(xué)論據(jù)推論宇宙在空間上是有限無邊的。他所作的光線經(jīng)過太陽引力場要彎曲的預(yù)言，于1919年由英國天文學(xué)家A.S.愛丁頓等人的日全食觀測結(jié)果所證實(shí)，全世界為之轟動，愛因斯坦和相對在西方成了家喻戶曉的名詞。廣義相對論建成后，愛因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對論再加以推廣，使它不僅包括引力場，也包括電磁場。他認(rèn)為這是相對論發(fā)展的第三個階

9、段——統(tǒng)一場論。1925年以后，愛因斯坦全力以赴去探索統(tǒng)一場論。1937年，在兩個助手合作下，他從廣義相對論的引力場方程推導(dǎo)出運(yùn)動方程，進(jìn)一步揭示了空間——時間、物質(zhì)、運(yùn)動之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦在科學(xué)創(chuàng)造活動中所取得的最后一個重大成果。1933年1月納粹攫取德國政權(quán)后，愛因斯坦是科學(xué)界首要的迫害對象，幸而當(dāng)時他在美國講學(xué)，未遭毒手。3月他回歐洲后避居比利時，10月轉(zhuǎn)到美國普林斯頓，任新建的高研究院教授，直至

10、1945年退休。1940年他取得美國國籍。1939年他獲悉鈾核變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)現(xiàn)，在匈牙利物理學(xué)家L.齊拉德推動下，上書羅斯?？偨y(tǒng)，建議研制原子彈，以防德國占先。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前夕，美國在日本兩個城市上空投擲子彈，愛因斯坦對此強(qiáng)烈不滿。戰(zhàn)后，為開展反對核戰(zhàn)爭的和平運(yùn)動和反對美國國內(nèi)法西斯危險，進(jìn)行了不懈的斗爭。1955年4月18日因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“在四位近代物理學(xué)創(chuàng)立者的基礎(chǔ)上我得以建立自己的理論”

11、。這四位近代物理學(xué)創(chuàng)立者是：伽利略、牛頓、麥克斯韋和洛倫茲。2.相對論前史2.1伽利略變換從本質(zhì)上來看，狹義相對論仍然屬于經(jīng)典的物理學(xué)，因?yàn)閷?shí)際上牛頓力學(xué)本身在邏輯上還有一些漏洞，特別是與電磁學(xué)還不能相容。狹義相對論徹底從邏輯上完善了牛頓力學(xué)，并且使得牛頓力學(xué)和電磁學(xué)完全自恰了。伽利略變換伽利略變換經(jīng)典力學(xué)時空觀經(jīng)典力學(xué)時空觀首先我們必須了解所謂伽利略相對性原理在牛頓力學(xué)里所具有的根本重要性。讓我們回顧一下牛頓力學(xué)的基本思想，這樣能有助