个人介绍
从爱因斯坦到霍金的宇宙 赵峥
课程介绍
  本课程主要介绍物理学和天文学发展的不平凡历程和一些最新成果,特别是有关相对论、量子论、黑洞和宇宙演化的知识。本课程收集了许多科学家的珍闻趣事,介绍了一些重大科学发现的曲折过程。希望广大听众能在轻松、愉快的的情况下听完本课程,并有所收益。课程中列举了许多事例来说明: 历史上,青年是科学发现和科技创新的主力军。希望有志于科学研究和科技创新的年青人能从课程中得到一些启发,增强自己的研究和创新能力。
主讲老师介绍

赵峥 教授

单位:北京师范大学

部门:物理系

物理学的发展

物理学革命自哥白尼以来一直在进行,它从未停顿过,世纪人物牛顿、爱因斯坦只是发展进程中阶段性质变的两个环节。100年前,爱因斯坦发表他的论文时,悄无声息,一切改变在缓缓进行,量变积累着质变,直到1919年日食对光线弯曲的证实,才使相对论名扬天下。牛顿开始他的研究活动时,也只有少数几个人了解,随着他人的推介,其影响才逐步扩大。物理学革命从来就不是群众运动,它是自上而下的变革,是由点到线再到面的。



1632年, 伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,哥白尼的日心说与托勒密的地心说进行了残酷的较量。1687年,牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,建立了经典力学的理论体系,提出了运动三定律和万有引力定律,揭示了行星绕太阳运动的根本原因。托勒密的地心说因牛顿的《原理》而被世人抛弃,彻底退出了科学舞台。第一次物理学革命就这样在波折重重中诞生了。由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学,经过18世纪在各个基础部门的拓展,到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展,达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末,已建成了一个包括力学、热力学、声学、光学、电动力学诸学科在内的、完整的理论体系。



第二次物理学革命起源于19世纪末出现的两朵“乌云”。第一朵乌云是“以太”学说。由于声波的传播需要媒介的参与,在真空中声波无法传播。所以,经典理论认为,光波和电磁波的传播也需要媒介的参与,它们的传播媒介就是“以太”。于是,静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的绝对运动的背景框架。它顺理成章地变成了一种静止不动的物质,表征着物化了的绝对空间。如果这种理论是正确的,科学家就可以通过精密的实验测量出物体相对于以太背景的绝对运动,由此而诞生出迈克尔逊-莫雷实验。实验的结果否定了“以太”的存在,从而引发出经典物理学第一次危机。

第二朵乌云是“紫外灾难”。它实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了解释黑体辐射实验的结果,物理学家瑞利和金斯认为,能量是一种连续变化的物理量,并建立起适用于波长较长、温度较高的黑体辐射公式。根据这条公式,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加。这个推理结果显然与实验数据相差极大,是根本不可能的,由此而否定了能量是连续变化的物理量,从而引发出经典物理学第二次危机。

19世纪末出现的这两朵乌云最终导致物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致量子力学的诞生。




在当今科学界,被宣传得火红火绿的谜团要数暗物质了。目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这个谜团。暗物质和暗能量是物理和天文学家公认的21世纪最重要的科学谜团,很有可能孕育出物理学的重大发现。美国和欧洲科学界纷纷布局这个领域的研究计划,期望在暗能量和暗物质研究上抢先取得突破。科学界公认,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。




阿尔伯特·爱因斯坦(Albert.Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日),出生于德国符腾堡王国乌尔姆市,毕业于苏黎世联邦理工学院,犹太裔物理学家。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,1905年创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。1955年4月18日去世,享年76岁。

爱因斯坦为核能开发奠定了理论基础,开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的联邦工业大学工程系,可是入学考试却告以失败。看过他的数学和物理考卷的该校物理学家韦伯先生却慧眼识英才,称赞他:“你是个很聪明的孩子,爱因斯坦,一个非常聪明的孩子,但是你有一个很大的缺点:就是你不想表现自己。” 

爱因斯坦在数学方面可以说是“天才”,他在12岁到16岁时就已经自学学会了解析几何和微积分。而对于不想表现自己这个“缺点”,他也是“死不悔改”。他晚年写给朋友的信中说:“我年轻时对生活的需要和期望是能在一个角落安静地做我的研究,公众人士不会对我完全注意,可是现在却不能了。”




光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,而正确的理论解释则由爱因斯坦提出。爱因斯坦主张,光的能量并非均匀分布,而是负载于离散的光量子,而光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应,也推动了量子力学的诞生。

狭义相对论

狭义相对论是由爱因斯坦等人创立的,应用在惯性参考系下的时空理论。它认为空间和时间并不相互独立,而应该用一个统一的四维时空来描述。

爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

广义相对论

在广义相对论中,引力被描述为时空的曲率,而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射能量直接联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的。




斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking,1942年1月8日至2018年3月14日),男,出生于英国牛津,英国剑桥大学著名物理学家,现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。

1963年,霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷氏症),全身瘫痪,不能言语,手部只有三根手指可以活动。1979至2009年任卢卡斯数学教授,主要研究领域是宇宙论和黑洞,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型,在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。获得CH(英国荣誉勋爵)、CBE(大英帝国司令勋章)、FRS(英国皇家学会会员)、FRSA(英国皇家艺术协会会员)等荣誉。

2018年3月14日,霍金逝世,享年76岁。霍金逝世后,引发全球各界悼念。



黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小,热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将聚集成一点,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:某一个恒星在准备灭亡,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

也可以简单理解为:通常恒星最初只含氢元素,恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞,发生聚变。由于恒星质量很大,聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定。由于氢原子核的聚变产生新的元素——氦元素,接着,氦原子也参与聚变,改变结构,生成锂元素。如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成,直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定,参与聚变时释放的能量小于所需能量,因而聚变停止,而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞。说它“黑”,是因为它产生的引力使得它周围的光都无法逃逸。跟中子星一样,黑洞也是由质量大于太阳质量好几十甚至几百倍以上的恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

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