《相对论、宇宙与时空》连载③——爱因斯坦与狭义相对论(下)

7 突破绝对时空观 正当洛伦兹等人忙于研究相对于绝对空间运动的原子,在运动方向上发生收缩时,其内部结构会如何变化,内部的电荷分布会如何改变,内部的作用力会呈现何种状态的时候,爱因斯坦发表了他的相对论(狭义相对论).     

小谈广义相对论--"从低速到高速"之五

我们已介绍过狭义相对论；在那里爱因斯坦把牛顿的相对性原理推广到包括电磁现象，但还是指惯性系说的；各个参考系是相对做匀速运动的惯性参考系．对加速参考系又该如何呢？爱因斯坦在马赫思想的影响下提出：物理规律对所有参考系，不管是惯性系还是加速系，都应该是一样的．这个进一步推广了的相对性原理叫“广义相对性原理”．它是爱因斯坦广义相对论的一个基本原理．     

《广义相对论入门讲座》连载——时间与空间

1坐标钟与标准钟对于弯曲时空的任意坐标系x~μ(μ=0,1,2,3),如果视x0为时间坐标,则以速率t=x~0/c运行的钟,叫坐标钟.t称为坐标时间.c是平直时空中的真空光速.     

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。     

《从零学相对论》连载②

§1.3 洛伦兹变换 设两个惯性系之间有最简关联,则任一事件在该系的时空坐标t,x,y,z和t ′,x′,y′,z ′有如下关系:     

《广义相对论入门讲座》连载——爱因斯坦场方程

1 场方程爱因斯坦认为,时空的弯曲由物质决定.有关方程的一端应该是时空曲率,另一端应该是能量和动量.时空曲率=能量动量(1)广义相对性原理要求物理规律在任何坐标系中都一样,广义相对论自身也不例外.     

对广义相对论更精确的实验检验

1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论．10年后，他又基于等效原理建立了广义相对论，认为时、空性质决定于物质的分布．爱因斯坦根据广义相对论解释了天文学中长期未解决的一些问题：如水星近日点进动的剩余量，并预言了日全食时星光在太阳引力场中的偏转以及引力场中的光谱线向红端移动．这些预见在爱因斯坦逝世(1955年4月18日)以前就已为天文观测所证实．     

《广义相对论入门讲座》连载——狭义相对论

广义相对论诞生至今已快100年了,然而了解此领域的人依然十分稀少.一般人认为广义相对论与实验联系较少,缺乏科研上的动力,而且在物理理解和数学运算上都十分困难,需要付出巨大努力才能进入这一用处不大的领域.然而,近年来随着中子星、黑洞、引力波和宇宙学领域的发展,广义相对论找到了广阔的应用空间,越来越多的人感到了对广义相对论知识的需求.其实,广义相对论也不像一般人想象的那样难学.数学上的困难源于一般人不熟悉黎曼几何与张量分析.作者从长期的教学中体会到,实际上可以采用"急用先学,立竿见影"的方式,用较短的时间把初学者引入广义相对论和黎曼几何的大门,使他们不仅了解广义相对论的物理思想,学会初步的运算,而且能看懂相对论天体物理学的文献,并尝试参与广义相对论及相关领域的初步研究.有志于钻研广义相对论的人,还可以在此基础上,"干中学",在出科研成果的同时,不断加深对广义相对论的理解,逐步成长为这一领域的教师和科研专家.本讲座就是这方面的一次尝试,望对广义相对论有兴趣并有志于学习它的人,参与这一进入科研前沿的尝试.本讲座共分8讲,目录如下:狭义相对论;广义相对论的物理基础;黎曼几何中的张量;度规张量;时间与空间;测地线、联络、曲率与挠率;爱因斯坦场方程;广义相对论的实验验证.本刊将以连载的形式分8期刊登.     

再谈洛伦兹变换的推导

评论了仅仅依据光速不变假设和相对性原理推导洛伦兹变换公式的方法.     

广义相对论的实验验证

 自1687年《自然哲学的数学原理》问世以来,牛顿力学取得了很大的成功与发展。很少有理论能和万有引力定律的预言的准确性相比拟。但即使如此,牛顿的理论也不是十分完善的。一个例子是水星的近日点的进动。水星轨道长轴的方向在空间不是固定的,在一世纪内会转动5601秒弧度。用牛顿理论计算出所有行星对它的影响后,还差43秒弧度与观测不符,另外,牛顿引力理论有一个很严重的缺陷,就是它认为引力的传播不需要时间。例如,如果太阳表面某处突然爆发日珥(喷出明亮的气团),按牛顿理论,其引力变化在地球上即时即可发现,这一点直接违反了狭义相对论.     

《广义相对论入门讲座》连载⑧——广义相对论的实验验证

1 史瓦西解史瓦西给出了爱因斯坦方程的一个严格解,这是一个静止、球对称星体外部的真空解,其中不为零的度规分量为     

《广义相对论入门讲座》连载④——度规张量

1度规张量的引入在三维平直空间中,在直角坐标系里,两点之间的距离dl可表示为dl2=dx2+dy2+dz2(1)变换到另一个直角坐标系,它变为dl2=dx′2+dy′2+dz′2(2)如果选用球坐标系,则为dl2=dr2+r2dθ2+r2sin2θd2(3)     

爱因斯坦与相对论体系

 一、爱因斯坦和他的奇迹爱因斯坦取得巨大成功,是自然科学史上最伟大的学者。1879年诞生在德国的一个小城的爱因斯坦,儿时几乎令家人失望。4岁才咿呀学语,几年后还是磕磕绊绊、举止迟钝,因而深受母爱,自幼练习小提琴,与其结为“终身伴侣”。在学校,他的“笨拙”倍受讥讽;他对死记硬背的形式课程毫无兴趣,甚至被学校除名。他喜爱数学和物理,不断在书海中寻求、思索,深受智慧和哲理的熏陶。18岁高考落榜,一年后才被录取,主修物理。他落拓不羁、独立思考、蔑视权威,几乎把精力全花在阅读和实验室。1900年,在教授不满中毕业;一毕业就失业的他,虽然张贴广告试图靠讲授数学与物理谋生,却开始进行科研。     

《从零学相对论》连载(14)

第6讲广义相对论初步§6.1引力的实质是时空的弯曲相对性原理要求物理规律在所有惯性系中有相同的数学表达式,用于狭义相对论,就是要求物理规律的数学表达式具有洛伦兹协变性.这是一个管定律的定律.因此,在建立狭义相对论物理学时,原则     

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”.     

空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革

 2005年是世界物理年,是年11月份,南开大学物理学院“今日物理”邀请中科院理论物理研究所资深研究员郭汉英老师作了题为《空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革--大船、水桶、升降机、橡皮膜和暗宇宙》的讲座。讲座之后,“今日物理”活动组的徐光明、苗荣欣等同学对郭老师进行了专访,几经讨论,内容已经超出原来的讲座。现与郭老师一起整理成文,供大家参考。徐光明:郭老师,您好。非常感谢您在百忙之中来到南开物理系所作的精彩讲座,谢谢您对我们“今日物理”活动的支持!您的演讲深入浅出,使同学们受益匪浅。我们想就这个话题的讨论整理成稿,发表出来,作为世界物理年纪念活动的一部分,您看可以吗?     

相对论问答

郭汉英教授生前曾为我刊撰写过多篇有关相对论的文章,引起了读者广泛的兴趣,他曾建议我们就读者来信中所提的问题开展有关的讨论。这次,我们趁选登赵峥教授所著《相对论百问》的机会,请赵教授帮助回答读者来信中所提的一些问题,来开展有关相对论的讨论,作为对郭汉英教授多年来支持我刊的感谢与怀念,以慰他的在天之灵。     

《广义相对论入门讲座》连载③——黎曼几何中的张量

1黎曼几何的建立几何学起源于古埃及尼罗河水泛滥后土地的丈量.公元前300年左右的数学家欧几里得总结和发展前人积累的知识,完成了《几何原本》一书,搭起了欧几里得几何学的框架.欧氏几何,以它逻辑的严密,形式的完备和优美,两千年来为数学家和哲学家所倾倒.唯一使人感到美中不足的是它的第五公设,即平行公理.此公理说,"过直线外的一点,可以引一条、并且只能引一条直线与原直线平行(不相     

从引力场方程的建立到引力波的直接探测

1引力场方程的建立1905年,爱因斯坦在对时间概念经过长久思考后,提出了两个基本公设:(1)相对性原理(伽利略的相对性原理的推广):物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式.(2)光速不变原理:在所有的惯性系中,光在真空中的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度.在此基础上,建立了狭义相对论.1905年后,爱因斯坦企图把引力现象归纳在狭义相对论的范畴之     

《从零学相对论》连载

第1讲 狭义相对论的引入 相对性原理是牛顿力学的一个重要出发点.然而,麦克斯韦(以下简称麦氏)的电磁理论问世之后,相对性原理曾一度遭遇过严峻的挑战,最终导致狭义相对论的诞生.因此,要介绍狭义相对论的引入动机,有必要讲清以下三个问题: 1.什么是相对性原理? 2.麦氏电磁理论为何曾一度对相对性原理提出过严峻挑战? 3.上述挑战如何诱发爱因斯坦创立狭义相对论?