第1讲 走进相对论.pptVIP

第一讲 走近相对论 思考题 爱因斯坦如何把普朗克的量子说推进为光子说？二者差异在何处？ 洛伦兹理论与爱因斯坦相对论的主要区别是什么？ 相对论建立在哪两个假设的基础之上？ 相对论有哪些重要结论？ 谈谈你对质能关系式的理解。 谈谈你对双生子佯谬的看法。 什么是“同时”的相对性？ 谈谈你对动钟变慢、动尺缩短的理解。 1900年,在英国皇家学会 迎接新世纪的年会上, 著名物 理学家开尔文(Kelvin)勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后, 他充满自信地说: 物理学的大厦已经建成, 未来的物理学家只需要做些修补工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云, 一朵与黑体辐射有关, 另一朵与迈克耳孙 (Michelson )实验有关。 然而, 事隔不到一年就 从第一朵乌云中降生了量子论, (the quantum theory)紧接着从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被 彻底动摇, 物理学发展到了一 个更为辽阔的领域。正可谓 “山重水复疑无路, 柳暗花明 又一村”。 事情还要从19世纪下半叶说起, 1870年, 在“铁血 宰相”俾斯麦(Bismarck )战争赔款, 同时迫使法国割让了亚尔萨斯 和洛林两个省。当时的德国, 急于从一个以农业为主的 “土豆王国”, 变成一个工业化的“钢铁王国”。 德国发展钢铁工业万事具备, 就只欠提高冶炼技术 这个东风了。炼钢的关键是控制炉温, 数千度的炉温, 任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨 认温度, 这就大大促进了对黑体辐射(black body radiation )(热辐射)的研究。 物理学家以谐振子为 基础来构造辐射模型。奇 怪的是, 无论怎么努力, 理论算出的黑体辐射曲线 都不能与实验曲线一致。 维恩的模型在长波波段偏 离较大。瑞利和金斯的模 型则在短波波段偏离很大。 这就是开尔文勋爵谈的第 一朵乌云－黑体辐射困难。 普朗克(Planck)提出了能量量子的概念, 给出了著名的普朗克公式 E = h? 其中 E 是辐射量子的能量, ? 是辐射的频率, h 是一 个常数, 就是现在众所周知的普朗克常数。普朗克的论文 开创了量子论, 标志着近代物理学的开端。 年青的爱因斯坦(Albert Einstein)发展了普朗克的量子论。他认为, 辐射本质上就是一份份不连续的。不论在原子发射、吸收它们的时候, 还是在传播过程中, 它们都是一份份的。 观察到光的干涉(interference)、衍射(diffraction)现象之后, 惠更斯(Huygens )的波动说战 胜了牛顿(Newton)认为 以太(ether )可能就是光波 的载体。19世纪下 半叶,以太被描述成 无孔不入、无所不 在的东西，充满宇 宙，它轻且透明， 而且弹性极好。它 是传播光的载体。 第二朵乌云指 的就是迈克耳孙实 验与光行差现象的 矛盾。1905年, 爱 因斯坦解决了这个 问题。他在一篇论 文中, 提出了开天 辟地的新思想, 抛 弃了以太理论和牛 顿的绝对时空观。 爱因斯坦诞生于德国乌尔姆一个犹太小工厂主的 家庭，在慕尼黑度过了他的大部分中小学生涯。他幼 年时讲话很晚, 性格内向, 总是一个人默默在一边玩 耍或者思考。父母曾担心他的智力有问题。上学后依 旧沉默寡言, 不为老师同学所喜爱, 而且学习成绩一般。 爱因斯坦还有一个特点，能够长时间集中注意力。爱 因斯坦的父母酷爱音乐，对小爱因斯坦产生了很大影响。 他会拉小提琴，可以说小提琴和数学物理一起，伴随了他 的一生。 年轻的爱因斯坦热爱数学和物理，但他不会意 大利语，又不喜欢德国，于是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， 只有阿劳中学的补习班是个 例外。 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。他经常在下午放学后才 去, 他或者到实验室一个人摆弄实验, 验证一下白天自学 的物理知识；或者与一、两个知心同学到学校的咖啡馆去 讨论学术问题。 离开校门的爱因斯坦在求职过程中尝尽了辛酸，没有 一个大学接受他的求职申请。犹太血统和无神论信仰， 增加了他找工