Download
1 / 39
390 likes | 726 Views
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. 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， 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，
E N D
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
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， 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。
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。 1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。
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》，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。 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。
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～） • 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！
爱因斯坦生平： 1879年3月14日 诞生于德国乌尔姆 中小学时代 德国慕尼黑 1895年 瑞士阿劳中学补习班一年 1896～1900年 苏黎世工业大学 1902～1909年伯尔尼发明专利局 1909～1914年 进入大学工作 （瑞士、布拉格等地） 1914～1933年 德国物理研究所所长， 柏林大学教授，院士 1915年 提出广义相对论 1933～1955年 美国普林斯顿大学高级研究所
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
相对论（狭义相对论 Special Relativity） • 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 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 作为相对性原理表达式的伽利略变换
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
洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年）洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年） 洛伦兹收缩
x’=x-vt y’=y z’=z t’=t x’= y’=y z’=z t’= 洛伦兹变换 伽利略变换
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）
1905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下 光行差现象 斐索实验 （迈克尔逊实验） 从 相对论原理 光速不变原理 爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对， 洛伦兹称其为相对论 考虑 洛伦兹变换
相对论提出 动尺收缩， 动钟变慢， 双生子佯谬，
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
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
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
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
4）广义相对论的核心 场方程 运动方程 万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现 行星绕日运动 物质使时空弯曲 时空曲率 物质 测地线方程 地球上的自由落体运动 都是惯性运动 （伽利略的有趣“错误”）
5）实验验证 引力红移、 光线偏折、 行星轨道近日点的进动
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
宇宙项： 宇宙项 （1917年提出，1923年放弃）
暗物质与暗能量 亮星0.5％ 重子 4％ 中微子 0.3％ 冷暗物质 29％ 物质 暗物质 起源于λ 动力学暗能量 GR在宇观尺度失效 暗能量 65％
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) ≤ ≥
《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 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
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) （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）
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 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
＊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） 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，泡力的观点
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 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”
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 1974年 霍金辐射 80年代后 无重大进展
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： 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
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.
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： 面积定理 δA≥ 0 霍金辐射（最重大成就） 奇性定理（首功属于彭若斯） 建立黑洞热力学 显示出相对论与热力学之间可能有本质的联系！
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 美国富兰克林学会：牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、杨振宁
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）
