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相对论的世界 The World of Relativities

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相对论的世界 The World of Relativities - PowerPoint PPT Presentation


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The important thing is not to stop questioning. Curiosity has its own reason for existing. One cannot help but be in awe when one contemplates the mysteries of eternity... Never lose a holy curiosity. Albert Einstein. 相对论的世界 The World of Relativities. 第 12 讲. 第 12 讲 相对论的世界. 相对论前史.

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Presentation Transcript
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The important thing is not to stop questioning. Curiosity has its own reason for existing. One cannot help but be in awe when one contemplates the mysteries of eternity... Never lose a holy curiosity.

Albert Einstein

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第12讲 相对论的世界
  • 相对论前史
  • 狭义相对论
  • 广义相对论
albert einstein
爱因斯坦Albert Einstein
  • 1879年3月14日生于德国乌尔姆Ulm
  • 1896年考入瑞士联邦工业大学
  • 1900年进入伯尔尼专利局
  • 1905年发表5篇论文
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1905年获得苏黎世大学博士学位在伯尔尼Bern专利局的办公室
  • 1907年申请联邦工业大学讲师失败
  • 1909年获得苏黎世大学物理副教授
  • 1913年任柏林大学教授
  • 1921年获得诺贝尔物理学奖
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哈比克Konrad Habicht

索罗文 Maurice Solovine

We had a wonderful time in those days in Bern in our cheerful 'Academy,' which was less childish than those respectable ones which I later got to know only too well.

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1932年受到纳粹迫害在犹太人团体的聚会上
  • 1933年就任普林斯顿高等研究院
  • 1940年加入美国国籍
  • 1955年4月18日逝于普林斯顿
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狭义相对论
  • 广义相对论
相对论前史
  • Galileo 变换
  • 迈克逊-莫雷试验
  • 洛伦兹变换
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惯性定律
  • 一个物体,假如没有外力改变它的状态,便会永远保持静止的状态或匀速直线运动的状态。
  • 若要放弃惯性定律,必须同时放弃所有的力学定律。
  • 惯性系: 力学定律在其中有效的坐标系。
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y

y’

v

光线c

x

x’

z

z’

伽利略变换

光线的速度 = c + v

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There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.

1900

乐观的世纪末

开尔文(英国)

Lord William Thomson Kelvin, 1824~1907

james clerk maxwell 1831 1879
1865年麦克斯韦方程组
  • 光学、电磁学与力学的统一
麦克斯韦(英国)James Clerk Maxwell 1831-1879
  • 光速=电磁波的传播速度
  • 基本常数
  • 1879年,探测以太的方法
  • 让光线分别在平行和垂直与地球运动的方向等距离地往返传播
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v

E

S

E

v

验证以太

假设太阳相对于以太是静止的,地球的速度为v

与轨道速度方向垂直的光速: c

与光线垂直的方向测出的光速:

c±v

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迈克逊干涉仪

Michelson interferometer

wilson
1881、87年:无结果试验 Wilson 山上的小屋
  • 地球带动着环绕它的以太旋转,以至于总是相对于它是静止的。
  • 光的速度与光源的运动无关。不能认定运动的物体带动周围的以太。
  • 从根本上放弃牛顿的思想。
hendrik lorentz 1853 1928
将牛顿力学与麦克斯韦的电磁学定律结合起来描述电子运动。洛伦兹(荷兰)Hendrik Lorentz1853-1928
  • 1892年,再度提出收缩假说。
  • 1894年,致信菲兹杰拉德
  • 1895年,以更精确的形式发表收缩假说
  • 1904年, 发表洛伦兹变换
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y

y’

v

x

x’

z

z’

洛伦兹变换
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相对论前史
  • 广义相对论
狭义相对论
  • 四个思想试验
  • 质能公式
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一九零五年:论动体的电动力学 狭义相对论的两条原理
  • 在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中,光在真空中的速度都是相同的。

2.在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中,自然定律都是相同的。

gedankenexperiments
爱因斯坦的思想试验Gedankenexperiments
  • 原理2涉及所有惯性系的观测者的等价性,已为庞伽莱独立获得。
  • 原理1 完全是爱因斯坦规定的。
  • 如果它是对的,就可以解释迈克逊与莫雷试验的无结果现象。
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A

B

X

发出时刻

L

O

v

牛顿力学
  • A、B同时发出了光脉冲。
  • 观测者O: 当光线从A、B传播过来时,速度c改变了,正好补偿了所预期的时间延迟。

A光速 = c+v

B光速 = c–v

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A

B

X

发出时刻

L

O

v

相对论
  • 观测者X: A、B同时发出了光脉冲。
  • 观测者O: A一定比B稍早一点发射光脉冲。

A光速 = c

B光速 = c

3 time dilation
光线

L

3. 时间膨胀Time Dilation

镜子钟表A

镜子钟表B

光线往返一次的时间=

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vΔt

光线

L

光线在两个镜子中往返一周的时间为:

v

两个钟表按速度v运动
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哦,怎么缩短了?

v

X

我的钟比你的慢。

O

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爱因斯坦与洛伦兹的区别
  • 在1905年之前的所有有关论文中,从来没有提到相对性原则
  • 颠倒了洛伦兹的逻辑,将相对性作为一个原则,而不是一个问题
  • 光速的不变性仅仅是表面的,是他的理论的一个推论
  • 光速对于所有观测者来说都是不变的是作为一个原则
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洛伦兹变换
  • 时间间隔的测量在所有统一的运动参照系中都是一样合法的
  • 在运动坐标系中的时间膨胀是一个数学技巧
  • 长度收缩是用分子间的力可以说明的一种真实的效应
  • 这仅仅是观测到的一种现象
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1907年, 质能公式

静质量: m0

惯性质量: m

  • 光子等速度为c的物质的静质量为0
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惯性质量不是一个常数
  • 物质的惯性质量可以表示它的能量
  • 经典物理学的两种物质,即质与能 第一种有重力,第二种没有重力
  • 能一直被认为是没有重力的,因为它的质量太小
  • 把3万吨水变为蒸汽的热量称起来只有1克重
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能量守恒=质量守恒
  • 相对论: 质量与能没有重要的区别
  • 能具有质量,质量代表着能量
  • 能量守恒+质量守恒=质能守恒
  • 狭义相对论的两个祭品
  • 1. 以太
  • 2. 质能关系
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经典力学需要根据狭义相对论进行修正
  • 修正主要影响高速运动状态下的定律
  • 日常所见物体,经典力学的定律仍然有效
leo szilard 1898 1964
1930年代, 科学家已经可以分裂原子核,爱因斯坦的质能公式 E=mc²得到验证。爱因斯坦与齐拉德Leo Szilard (1898-1964)
  • 铀核的裂变刚刚被发现。铀可以被用来制造能量巨大的毁灭性炸弹。
  • 1939年8月与1940年3月,爱因斯坦与齐拉德致信美国总统罗斯福。
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广义相对论
  • 相对论前史
  • 狭义相对论
  • 引力场的思想试验
  • 广义相对论的验证
paradox of twins
孪生子悖论Paradox of Twins
  • 朗之万(法国)
  • 1911年4月
  • 波隆那哲学家大会
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狭义相对论: 物理学定律仅仅对于惯性系有效
  • 广义相对论: 物理学定律对一切相对作任意运动的坐标系都有效
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引力场: 从一个坐标系过渡到另一个坐标系的“桥梁”。
  • 思想试验:升降机
  • 外面的观察者:
  • 存在引力场, 升降机在引力场中加速运动
  • 里面的观察者:
  • 升降机是静止的,引力场不存在的,
  • 桥梁的礅柱: 引力质量 = 惯性质量
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水星近日点的进动
  • 1859年勒威耶发现水星近日点进动的观测值比牛顿理论每世纪快38’’
  • 观测值
  • 每世纪43”.11
  • 相对论
  • 每世纪43”.03
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引力红移

广义相对论预言:从太阳表面发出的谱线与地球上同样原子的谱线相比,波长较长(引力红移)。

1913 g e hale
1913年爱因斯坦致函美国天文学家G.E. Hale,敦促天文学家观测星光的引力效应。但是,由于第一次世界大战,没有得到相应。
arthur stanley eddington 1882 1944
第三个人是谁?

1919年

西非: 普林西比岛

南美: 索布腊尔

爱丁顿(英国)Arthur Stanley Eddington1882~1944
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