第十二講相對(duì)論的世界

1、1第十二講相對(duì)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(wú)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(gè)較為完整的框架，德國(guó)著名物理學(xué)家普郎克年輕時(shí)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(huì)再有多大的發(fā)展了，將一生獻(xiàn)給這門(mén)科學(xué)，太可惜了?！痹?0世紀(jì)降臨之際，著名熱力學(xué)家開(kāi)爾文在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)迎接新世紀(jì)的慶祝會(huì)上致辭說(shuō)：經(jīng)典

2、物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來(lái)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(huà)，顯示了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界對(duì)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(kāi)爾文不愧為杰出的物理學(xué)家，它同時(shí)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(lái)引起了世紀(jì)之交的一場(chǎng)物理

3、學(xué)革命，在這場(chǎng)革命中誕生了相對(duì)論和量子力學(xué)。而相對(duì)論的創(chuàng)立者就是偉大的物理學(xué)家——愛(ài)因斯坦。1.愛(ài)因斯坦生平愛(ài)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(guó)烏耳姆一個(gè)經(jīng)營(yíng)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(ài)因斯坦和叔父雅各布愛(ài)因斯坦在那里合辦一個(gè)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(chǎng)。母親玻琳是受過(guò)中等教

4、育的家庭婦女，非常喜歡音樂(lè)，在愛(ài)因斯坦六歲時(shí)就教他拉小提琴。愛(ài)因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠(chǎng)里專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)技術(shù)方面的事務(wù)，愛(ài)因斯坦的父親則負(fù)責(zé)商業(yè)的往來(lái)。雅各布是一個(gè)工程師，自己就非常喜愛(ài)數(shù)學(xué)。在叔父的影響下，愛(ài)因斯坦較早的受到了科學(xué)和哲學(xué)的啟蒙。12歲時(shí)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(shí)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(ài)因斯坦十六歲時(shí)報(bào)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(shí)的他有隨時(shí)將思考的問(wèn)題記入身邊的小本的習(xí)慣，例如“追光問(wèn)題”：觀察者隨光前進(jìn)時(shí)，會(huì)不會(huì)看見(jiàn)電磁波形成停止的駐波？1896年10月，愛(ài)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(ài)因斯坦正式受聘于專(zhuān)利局，任三級(jí)技術(shù)員，工作職責(zé)是審核申請(qǐng)專(zhuān)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(shí)期。1900～1904年，愛(ài)因斯坦每年都寫(xiě)出一篇論文，發(fā)表于德國(guó)《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(cè)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(ài)因斯坦31915年11月25日的論文《引力的場(chǎng)方程》中，他放

7、棄了對(duì)變換群的不必要限制，建立了真正普遍協(xié)變的引力場(chǎng)方程，宣告廣義相對(duì)論誕生了。1916年6月，愛(ài)因斯坦在研究引力場(chǎng)方程的近似積分時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)力學(xué)體系變化時(shí)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(ài)因斯坦逝世24年后，間接證明了引力波存在。1917年，愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論的結(jié)果來(lái)研究宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無(wú)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(duì)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(gè)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(wú)邊的。他所作的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)引力場(chǎng)要彎曲的預(yù)言，于1919年由英國(guó)天文學(xué)家A.S.愛(ài)丁頓等人的日全食觀測(cè)結(jié)果所證實(shí)，全世界為之轟動(dòng)，愛(ài)因斯坦和相對(duì)在西方成了家喻戶(hù)曉的名詞。廣義相對(duì)論建成后，愛(ài)因斯坦依然感到不滿(mǎn)足，要把廣義相對(duì)論再加以推廣，使它不僅包括引力場(chǎng)，也包括電磁場(chǎng)。他認(rèn)為這是相對(duì)論發(fā)展的第三個(gè)階

9、段——統(tǒng)一場(chǎng)論。1925年以后，愛(ài)因斯坦全力以赴去探索統(tǒng)一場(chǎng)論。1937年，在兩個(gè)助手合作下，他從廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)一步揭示了空間——時(shí)間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對(duì)論的重大發(fā)展，也是愛(ài)因斯坦在科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)中所取得的最后一個(gè)重大成果。1933年1月納粹攫取德國(guó)政權(quán)后，愛(ài)因斯坦是科學(xué)界首要的迫害對(duì)象，幸而當(dāng)時(shí)他在美國(guó)講學(xué)，未遭毒手。3月他回歐洲后避居比利時(shí)，10月轉(zhuǎn)到美國(guó)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(guó)國(guó)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(dòng)下，上書(shū)羅斯?？偨y(tǒng)，建議研制原子彈，以防德國(guó)占先。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前夕，美國(guó)在日本兩個(gè)城市上空投擲子彈，愛(ài)因斯坦對(duì)此強(qiáng)烈不滿(mǎn)。戰(zhàn)后，為開(kāi)展反對(duì)核戰(zhàn)爭(zhēng)的和平運(yùn)動(dòng)和反對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)法西斯危險(xiǎn)，進(jìn)行了不懈的斗爭(zhēng)。1955年4月18日因主動(dòng)脈瘤破裂逝世于普林斯頓。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“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(duì)論前史2.1伽利略變換從本質(zhì)上來(lái)看，狹義相對(duì)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(duì)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(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀首先我們必須了解所謂伽利略相對(duì)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