文档介绍：电信科学1202
罗伟
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爱因斯坦与相对论
爱因斯坦(1879-1955)
美籍德国犹太人。他创立了代表现代科学的相对论,并为核能开发奠定了理论基础,在现代科学技术和它的深刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元,被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家、思想家。1921年诺贝尔物理学奖获得者。现代物理学的开创者和奠基人,相对论——“质能关系”的提出者,“决定论量子力学诠释”的捍卫者(振动的粒子)——不掷骰子的上帝。 1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。
在1905年爱因斯坦发表了6篇划时代的论文,分别为: 1.《关于光的产生和转化的一个试探性观点》
2.《分子大小的新测定方法》
3.《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》
4.《论动体的电动力学》:首次提出了狭义相对论基本原理,论文中提出了两个基本公理:“光速不变”,以及“相对性原理”。
5.《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》
6.《布朗运动的一些检视》
这一年成为经典物理学与现代物理学分水岭。
1921年的爱因斯坦
“爱因斯坦奇迹年”
相对论
狭义相对论
广义相对论
光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。
以几何语言建立而成的引力理论,统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律,将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空,以取代传统对于引力是一种力的看法。
(1905年)
(1915年)
(1905年)
(1915年)
佯谬问题
时钟双生子佯谬:相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题——双生子佯谬。一对双生子甲和乙,乙在地球上,甲乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时甲将比乙年轻。比如在这一对孪生兄弟20岁时,甲乘飞船作太空飞行,甲认为飞行时间只有一年,在其返回地面时,甲只有21岁,但他却发现乙却已成了90多岁的老人了,亦即乙比甲年老了许多。
爱因斯坦的相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。
狭义相对论
1966年,科学家在实验中测得μ子绕圆形轨道高速运动时,其平均寿命比在地面上静止的μ子的平均寿命长。1971年,科学家们又观察到了放在卫星上绕地球旋转的原子钟比地面上的原子钟走的慢得多的现象。这些实验证明了狭义相对论的正确性,同时也就间接解释了“双生子佯谬”这个问题。
狭义相对论的证明
狭义相对论最著名的推论是质能公式——E=mc2,它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量,但它不是导致原子弹的诞生的原因。
狭义相对论的副产品
狭义与广义相对论的分野
目前一般认为,狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力(弯曲时空),即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题,而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说,就是狭义相对论的背景时空是平直的,即四维平凡流型配以闵氏度规,其曲率张量为零,又称闵氏时空;而广义相对论的背景时空则是弯曲的,其曲率张量不为零。
广义相对论的提出
1915年11月25日,爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院,完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜,而且还预言:星光经过太阳会发生偏折,偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。