漫谈两个基本假设与相对论时空观

 爱因斯坦是人类历史上最具创造才智的科学家,他一生开创了物理学的四个领域---狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论,他是量子理论的主要创建者之一,有人说爱因斯坦应该拿6个诺贝尔奖,足见他对物理学和对社会的贡献。一、爱因斯坦创立狭义相对论经历了三个阶段爱因斯坦16岁时就提出“追光”假想实验,这是萌发狭义相对论思想的第一个阶段;爱因斯坦对光、麦克斯韦方程、电磁波、以太、地球运动等问题的深入思考,最初起源于消除电磁学理论中的不统一性,可以看作他思想发展的第二阶段;重审、放弃传统的时间观念,在同时性问题上的突破,可看作第三个阶段。     

从探寻“以太”到探测“引力波”——迈克耳孙干涉仪的应用

在19世纪末,著名的迈克耳孙-莫雷实验检测光速的微小变化用来探寻"以太";目前,"引力波"的成功直接探测验证了爱因斯坦100年前广义相对论的预言;无论是探寻"以太"还是探测"引力波",迈克耳孙干涉仪功不可没。本文简述迈克耳孙干涉仪的一些应用,以飨读者。     

引力波的昨天、今天和明天

正一、引力波的历史1.引力波的理论预言及其特性赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以及电磁波的物理特性早在1893年就提出了引力波的概念。庞加莱于1905年进一步指出了引力波以光速传播。1915年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对论场方程—爱因斯坦场方程,并且于1916年对爱因斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似,推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式,     

谈洛伦兹变换的物理意义

 一由于将电动力学的麦克斯韦方程作伽利略变换时,方程不表现协变性,导致“以太”这一标准参考系在电磁理论中的引入,即光速只相对于“以太”这个标准参考系才是常量,而相对于以“以太”为参考系作匀速直线运动的一切参考系都不具备这样的性质。也就是说,麦克斯韦方程只对“以太”这一标准参考系成立。根据这一假设,在“空空如也”的空间中就必然填充着绝对静止的’以太”,并不难用光学测量发现地球在“以太”中的绝对运动,以证明’以太”这一标准参考系的存在。为此目的,迈克尔逊和莫雷做了精密的实验(著名的迈克尔逊--莫雷实验),却没有观测到地球的绝对运动,这就意味着在“空空如也”的空间中并不存在绝对静止的“以太”.     

引力改变了时空——从欧几里得空间到准黎曼空间

 爱因斯坦在1905年所建立的狭义相对论建立了高速运动下的时空变换,这种变换是局限在惯性系之间的,这正是“狭义”的涵义。作为狭义相对论的推广,爱因斯坦从1907年开始努力尝试将相对性理论推广到非惯性系。他在研究了引力场与加速系关系的基础上,于1916年在德国《物理学杂志》上以“广义相对论基础”为题正式发表了广义相对论。广义相对论的诞生进一步更新了我们对空间、宇宙的认识观念。从平直均匀的欧几里得3维空间,到闵可夫斯基的4维空间,再到弯曲的黎曼空间,独立于时间与物质的“绝对空间”概念被彻底地打破了。     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

光子静质量及检测方法

 一、检测光子静质量的意义首先,这对狭义相对论是一个很好的检验。我们知道,比起“惯性系地位等价”来说,“光速不变原理”在狭义相对论的理论基础中显得有些突兀,好像是爱因斯坦(Einstein)为使麦克斯韦(Maxwell)方程满足洛仑兹(Lorentz)协变而直接塞入的。不过非常凑巧的是,麦克斯韦电磁场方程刚好能够预言所有的电磁辐射在真空中都以相同的速度c传播,且与其频率无关。     

走向统一的自然力电力与磁力的统一(Ⅲ)

 19 世纪60 年代中期, 麦克斯韦在总结前人工作的基础上, 连续发表了3 篇论文:《论法拉第力线》、《论物理力线》和《电磁场的动力学理论》。一方面, 他在法拉第发现的电磁感应现象的基础上提出了“变化的磁场产生涡旋电场”;另一方面, 他创造性地引入“位移电流”代替安培环路定理中的稳恒“传导电流”来描述“变化的电场产生涡旋磁场”, 从而建立了完整的电磁场理论。1887 年, 赫兹通过一系列实验发现了麦克斯韦预言存在的电磁波, 并证实了光与电磁波的同一性, 为麦克斯韦电磁场理论提供了有力的实验验证。     

引力波与引力波探测

 一、引力波探测的主要背景引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一,未来在引力波探测的研究中所获得的突破,将可能比其他预言产生更为巨大而深远的影响,甚至大大促进人类文明的进程。1916年爱因斯坦发表了他的广义相对论,并在该理论的基础上预言了引力波的存在。到目前为止,广义相对论一些重大预言都被实验证实了,它们包括水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线在引力场中的频移,以及由此而延伸的关于雷达回波的延迟等。这些成果又进一步推进了相对论在天文观测、相对论天体物理、宇宙学甚至高能物理和广义相对论的交叉领域等方面的应用。     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

 引力波是爱因斯坦“广义相对论”的重要预言，引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年，爱因斯坦就根据弱场近似，预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现，前仆后继，科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱，引力波探测器的灵敏度太低，引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波天文学研究蓬勃发展的今天，降低噪声、提高灵敏度仍是激光干涉仪引力波探测器发展的关键课题。     

斐索实验到底说明了什么?

引言 1851年斐索(Fizeau)首创了测定运动介质(流水)中光速的实验.之后,不少人重复了这个实验,并给以不同的解释.有人说,斐索实验验证了菲涅耳的以太曳引理论;有人说,斐索实验的结果证实了洛伦兹关于以太不为运动介质所带动的假定是正确的;又有人说,菲索实验是爱因斯坦速度相加定理的第一个验证.那么,斐索实验到底说明了什么?我们应当科学地历史地对它加以分析.本文拟通过具体讨论来说明斐索实验在以太论的兴衰和狭义相对论创立过程中的历史作用.一菲涅耳以太曳引效应 1818年菲涅耳(Fresnel)从以太论观点出发导出光在运动的透明介质中的速度…     

2005——世界物理年

 1905年,年仅26岁的天才物理学家爱因斯坦连续发表了5篇极具震憾力的物理学论文,论文包括现代物理学中的3项伟大的成就:分子运动论、狭义相对论和光量子假说,从根本上改变了物理学的面貌,并为相对论的建立与发展奠定了基础,这一年被称为“奇迹年”。在这“奇迹年”100周年到来之际,全球物理学界一致呼吁把2005年定为“世界物理年”,这项倡议由欧洲物理学会提出,得到了国际纯粹与应用物理联合会的一致通过。     

相对论中的“观测”与“看到”有何不同

 1905年爱因斯坦发表了狭义相对论,其时空观之一就是“运动的尺缩短”。接受相对论的所有人都相信这种尺缩现象是可以用眼睛看到或用照相机拍摄到的。一个运动物体看起来将沿运动方向缩短为原来的1-β2倍β=ｖｃ,ｖ是物体运动的速度大小,ｃ是光速,坐在高速飞船中的人从窗外看出去时,将看见球形物体缩成一个椭球体这些说法好像都是无可非议的。这种观念一直持续了54年之久,直到1959年美国物理学家戴勒尔发表了一篇文章,认为这种观念是错误的,他纠正了存在于所有人中间的这个偏见。提出“尺缩”现象可以“观测”或者“测量”,却不能用眼“看到”。     

迈克耳孙-莫雷实验对狭义相对论的建立起到重要作用了吗?

本文对迈克耳孙-莫雷实验提供了3种解释:静止以太说的解释、静止以太说+洛伦兹收缩的解释,以及双程光速各向同性的解释。然后分析了寻找光以太的实验(包括迈克耳孙-莫雷实验)对爱因斯坦建立狭义相对论所起的作用。     

多波段引力波宇宙研究和空间太极计划

正1.引言2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组宣布直接观测到由两颗恒星级黑洞在十多亿年前并合后产生的引力波;时隔仅仅四个月,在6月16日LIGO宣布再一次观测到双黑洞合并产生的引力波信号。这两次实验结果不仅是对100年前爱因斯坦广义相对论所预言的引力波的直接验证,更为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段,也为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。通过探测各个频段的引     

谈谈“左手材料”

 “左手材料”(left-handedmaterials)是指在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同,比如光在左手材料中的行进方向与能量传播的方向相反、完全相反的折射定律等等,“左手材料”颠覆了一般材料中所普遍遵循的“右手规律”。早在1968年,俄罗斯理论物理学家维西拉格(Veselago)就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负数的介质中的传播及相关特性作过理论上的研究,但由于当时自然界中并没有发现这类介质材料,所以他的研究结果一直没有得到实验上的直接验证,人们对左手材料的兴趣也因此降温。     

引力波探测的现状和意义

 引力波是广义相对论的一个理论预言。1916年爱因斯坦创立广义相对论,揭示了一个全新的时空观念:时间和空间并非绝对和独立地存在,它们是相互联系的,由物质分布和运动所决定的属性。在时空中运动的物质,其轨迹由时空曲率决定。这种时空结构的几何化概念,对引力的本质提出全新的解释,是一种新的引力理论。一、引力波是变化着的4维时空曲率的传播物质的引力场是一种无需介质的广延场,与电磁场相类比:电荷的加速运动能辐射电磁波,那么,理论上物质的运动也辐射引力波。爱因斯坦在引力场方程的弱场近似解中得到平面引力波辐射的结论。近代其他引力理论也得出存在引力波的预言。     

质子的衰变——兼谈一道中学物理竞赛题

 生命是短暂的,所有动物和植物都会衰亡.大多数粒子的“寿命”则更为短暂,即使“长寿”的自由中子,其寿命不过十几分钟.中子衰变后产生三个较轻的粒子:质子、电子和反中微子（n°→p⁺+e^- +（?）_e）;其他许多粒子的“寿命”只是一瞬间(10^-22～10^-10秒).那些似乎永恒的东西--山川、日月、银河等其实也总有消亡的那一天.     

时空巨人爱因斯坦

 19世纪末经典物理学的理论已基本建立完整。许多物理学家认为物理学的理论已足够完美。在这种观点的影响下,物理学的研究工作处于消极状态之中。如果说实验物理学的三大发现---Ｘ射线、电子、放射性的发现动摇了这种观点,普朗克在1900年为解决热辐射中的“紫外灾难”而创建的“量子论”对这种观点提出了挑战。那么爱因斯坦在这方面所作出的贡献却彻底地将这种观点送入了坟墓。下面让我们对爱因斯坦的生平、主要贡献及成功的原因作一简要的回顾。一、爱因斯坦的生平1879年3月14日爱因斯坦出生于德国南部小城乌尔姆一个犹太人家庭。父亲海尔曼·爱因斯坦是一位电气设备制造商。母亲波林·科克是一位富商的女儿。     

引力波和引力透镜

 引力是物质世界的一种客观属性。大科学家牛顿以精确的数字形式表达了万有引力定律,建立了人类对引力认识的第一座里程碑。后来,牛顿引力理论对解释一些天体物理问题却遇到了困难。爱因斯坦于1916年提出了著名的广义相对论,其中预言宇宙中存在着“引力波”。引力波即引力的波动,它与引力的强弱变化有关。引力波可由加速运行的物质产生,其传播速度应等于光速。在理论上,任何运动的物质都会产生引力波。比如,如果你把一只台球悬挂起来,使它像打秋千似的荡来荡去,当它荡到比较靠近你时,其引力作用比离你较远时更为大些,就形成引力波。换句话说,球的摆动,使它的引力发生一种像波那样起伏的变化。