粒子、宇宙与时空 世界物理年－纪念爱因斯坦1905年对量子理论和相对论做出划时代的贡献 中国科学院近代物理研究所 粒子、宇宙与时空 世界物理年－纪念爱因斯坦1905年对量子理论和相对论做出划时代的贡献 甘肃物理学会2005年学术年会，庆阳市 报告人：李希国（Xi-Guo Lee) 博士 中国科学院近代物理研究所 2005年7月24-27日
主要内容 爱因斯坦简介 爱因斯坦的主要科学成就简介 狭义相对论与相对时空观 广义相对论与现代宇宙论 爱因斯坦的研究成就对当代物理学的深远影响 (1) 相对论时空观与对称性 (2) 基本相互作用与广义协变性 （3）微观物理与宇宙物理的统一－统一场论 （4）宇宙常数与暗物质和暗能量
爱因斯坦简介 (1879年3月14日－1955年4月18日) 1879年3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。 在任工程师的叔父等人的影响下，爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。
1894年，他的家迁到意大利米兰，继续在慕 尼黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息 自由思想的军国主义教育，主动放弃学籍和 德国国籍，只身去米兰。 1895年他转学到瑞士阿劳市的州立中学； 1896年进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学，1900年毕业。 大学毕业就失业，临时教书维持生活。 1901年取得瑞士国籍。1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员，从事发明专利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究。 1905年在物理学三个不同领域中取得了历史 性成就，特别是狭义相对论的建立和光量子 论的提出，推动了物理学理论的革命。同年， 以论文《分子大小的新测定法》取得苏黎世 大学的博士学位。
1908年兼任伯尔尼大学编外讲师。 1909年任苏黎世大学理论物理学副教授。 1911年任布拉格德语大学理论物理学教 授，1912年任苏黎世联邦工业大学教授。 1914年，应M.普朗克和W.能斯脱的邀请，回德国任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授，直至1933年。1915年建成了广义相对论。他预言光线经过太阳引力场要弯曲，于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人的日全食观测结果所证实。 1922年11月13日上午10时爱因斯坦乘日本船“北野丸”于到达上海，在上海“一品香”餐厅设宴招待爱因斯坦夫妇。下午6时，中国文化教育界在画家、书法家王震(字一亭，1866—1938)家里设宴招待爱因斯坦夫妇。1922年11月才正式决定授于他1921年度的物理学奖(同时还决定把1922年度物理奖授予玻尔)。瑞典驻上海总领事正式通知了爱因斯坦。爱因斯坦夫妇都表示极为高兴（戴念祖,《物理》，2995.4.20）。
1933年1月纳粹攫取德国政权后，爱因斯坦是 科学界首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲 学，未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时， 9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪，星 夜渡海到英国，10月转到美国普林斯顿，任新 建的高等研究院教授，直至1945年退休。 1940年他取得美国国籍。 1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现， 在匈牙利物理学家L.西拉德推动下，上书罗 斯福总统，建议研制原子弹，二战结束后， 开展了反对核战争的和平社会活动。 1955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯 顿。遵照他的遗嘱，不举行任何丧礼，不筑坟 墓，不立纪念碑，骨灰撒在永远对人保密的地 方，为的是不使任何地方成为圣地。
科研之外 少年时期对事物充满惊奇,14到16岁自学了微积分,但语言能力不强。 对大自然的崇高伟大充满敬仰之心 。信仰上帝，发现佛教最好。为自然、宇宙之玄妙着迷。 喜欢音乐和数学，钢琴和提琴。 谦虚、纯朴、善良和幽默 ，无名人架子。 喜欢冰淇淋,小事心不在焉,大事十分清楚。
早在1901年，二十二岁的青年爱因斯坦已经发现了成功的公式: A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！ 博览群书。在爱因斯坦的书架上发现有老子的“道德经”。 独立思考，喜欢安静。 强烈的社会责任。他说：“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。”,“一个人的真正价值首先取决于他在什么程度上和在什么意义上从自我解放出来。” 不明白的事情：自由”及“共产” , “东方”和“西方”的真正精确意义 , 因为地球是圆的! (爱因斯坦传)
爱因斯坦的主要科学成就简介 1、光量子论* 2、分子运动理论* 3、创立狭义相对论* 4、质能公式* 5、广义相对论* 6、受激辐射的量子理论* 7、玻色－爱因斯坦量子凝聚理论* 8、统一场论的漫长而艰难的探索
1、光量子论(1905.3) 1900年，普郎克 电磁辐射最小单位 1905年，爱因斯坦 明确光量子－粒子性 1913年，玻尔 氢原子光谱的正确解释 1924－26年 量子力学建立 Light quantum (《光量子》) (Annalen der Physick 17, 132) 光量子 爱氏方程 成功解释光电效应，1916年密立根：不同光频和不同材料，测出普朗克常数h值。
2、分子运动理论(1905.5,12) Brownian motion(《布朗运动》)(Annalen der Physick 17, 549) 他用力学和统计学相结合的方法研究悬浮粒子在流体中的运动，在理论上说明了布朗运动产生的原因，并从悬浮粒子位移的平均值推算出单位体积中流体的分子数目。 1908年被法国物理学家J.-B.佩兰的实验所证实。 意义 ：流体是由大量微粒－分子，组成，证明分子、原子的微粒是存在的，并且不断的在运动, 是这些微粒组成了宏观物质。 证实了神在两千年前看到微观世界的事情！ 一个针尖上有几个天使－ <<圣经>> 一粒砂子里有三千大千世界－ 释迦牟尼佛
3、创立狭义相对论(1905.6) 改变了人类对时空的认识。 牛顿的绝对时空观: 空间与时间独立, 任何参照系时间尺度一样。 相对论时空观: Special theory of relativity(《狭义相对论》)(Annalen der Physick 17, 891) 提出狭义相对论的两个基本原理: 1、 光速不变原理： 空间和时间完全对称, 相关 4维闵可夫斯基空间－对称群－洛沦兹群 2、 狭义相对性原理：惯性参照系的完全等价 物理量的协变性－物理量(张量) 满足协(逆)变变焕 改变了人类对时空的认识。 牛顿的绝对时空观: 空间与时间独立, 任何参照系时间尺度一样。 相对论时空观: 空间与时间对称、关联，不同参照系时空尺度不一样 是当代量子场论（基本粒子与基本相互作用）的两个基石之一。
4、质能公式（1905.9） 在同一参照系 : E = M C 2 , C=光速、M=质量 物体的惯性同它所合的能量有关吗?(Annalen der Physick 17, ) 发现质能公式: 在同一参照系 : E = M C 2 , C=光速、M=质量 E 2 = P2 C2 +M20 C 4, P=动量 在禁止参照系: E0 = M0 C 2 , M0=静止质量 解释了放射性元素放出大量能量的原因。 揭示了越微观，放出能量越大的秘密，能量是人类研究物质不同结构的一个基本指标, 所以, 用常规手段不能激发原子能, 原子核能以及原子核以下的能量。 量子理论建立的基础。
5、广义相对论（1916） 1907年，提出等效原理; 1911年6月，关于引力对光传播的影响; 1913年，广义相对论和引力理论纲要; 1916年，完整的论文发表在 Annalen der Physick 49（1916）469。 广义相对论的基础－两个基本原理: 1、等效原理： 惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辩。 惯性质量＝引力质量 在引力场中，局域点可以引入惯性参照系。 2、广义相对性原理：所有参照系等价－任何参照系中物理规律形式相同。 广义协变性－物理量（张量）作协变变焕，对称性。 协变微商－联络－引入引力场－相互作用。 引力场使4维时空弯曲－引力场可用时空弯曲的程度描述，引力场中的粒子 走短程线。预言引力波存在，1976年发现，93年获奖。 意义：发现了引力－物质与时空结构的关系和其几何是黎曼几何！ 改变了引力是力的观念，是研究天体、宇宙和引力的基本理论。
6、受激辐射的量子理论（1916） Physikalishe Zeitschrift, 18(1917)121 发现了原子的光发射机制： 对原子基态为E1，激发态为E2 存在三种情况： 自发发射：E2－E1＝hv 受激发射：E2－E1＝hv 受外界 hv= E2－E1 干扰 受激吸收：hv=E2－E1 吸收外界 hv, 原子E1 到 E2 吸收原子数＝自发原子数＋ 受激原子数 发现了原子发光的微观机制。 重新给出普郎克黑体辐射公式，清楚给出了光量子概念。 建立了激光的理论基础。 为辐射量子论作出了突破性的贡献。
7、玻色－爱因斯坦量子凝聚理论 （1925） 1925年，玻色（1924〕与爱因斯坦预言玻色量子 多体系统中粒子会发生凝聚现象。 1995年，美国国家标准技术局和Colorado大学联 合实验室(JILA)、Rice大学和MIT三个研究小组相 继实现了碱金属原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚。 开辟了认识原子，量子论和多体系统性质的新途 径，成为原子激光的理论基础。
8、统一场论的漫长而艰难的探索 1929－1955 动机：将引力场与电磁场统一 寻求一个几何将其引力场和电磁场纳入同一个框架内 从1927年，或者更肯定一点，从1933年他移居普林斯顿之后，建立统一场论就成为他的最终学术目标。 1979年，爱因斯坦诞生100周年的纪念会上，杨振宁说：“或许有人可以将爱因斯坦晚年的追求称之为痴迷；但是，它是一种美丽的痴迷，正是这种痴迷使现代物理学找到了方向”。“今日基础物理学中最重要的问题依然是对统一场论的探索”。 杨振宁谈到二十一世纪理论时，说 “第一是他对统一场论的持之以恒；第二就是他所强调的统一场论中的两个必不可少的概念，即：一、对称性，它是推动统一场论的一个重要元素，或者说21世纪理论物理学中的一个主旋律；二、统一场论必然基于一种几何学的概念。这两个观点现在已经被大家广为认同。”
狭义相对论与相对时空观 间隔 洛伦兹变焕 四维时空分为三个区域 1、ds2=0, 事件在光锥面 2、ds2>0, 事件在光锥内 间隔说明时间与空间对称。 洛伦兹变焕说明时间与空间通过因子u/c 关联。 间隔不随参照系变焕而改变， 时空是四维，事件对应四维时空中一个点－世界点，时空的三个区域－光锥的面、内、外区域中的事件各自相关，区域之间无关联。 洛伦兹变焕的全体是洛伦兹群体，是四维时空中的所有转动－是现代场论的基石。
狭义相对论效应 观测、、等粒子的 速度相加 不是简单的加减 长度收缩 时间延缓 飞行时间和飞行距离中证实。 多普勒效应 相对质量 光子静止质量 要求光子质量＝0 实验给出上限<10-52 克
问题与突破 光速真的是不变的码？ 超光速的实验探索 一直未停过！ 目前的研究结果显示： 在目前的静态宏观中光速不变原理对，在微观和宇宙其他天体中有可能光速是变的？ 突破：在宇宙和微观中，时空结构研究中。
广义相对论与现代宇宙论 广义相对论的理论框架 时空发生弯曲－黎曼几何学－引力和引力作用由联络描述！ 长度收缩、时间延缓、粒子走短程线 1、 线元 2、 协变微商，引力和相互作用 3、 粒子短程线方程 4、 引力场方程 时空发生弯曲－黎曼几何学－引力和引力作用由联络描述！ 长度收缩、时间延缓、粒子走短程线
广义相对论效应与验证 引力方程的球对称解给出四个新效应： 1、行星轨道近动 1921年实验证实 引力辐射与引力玻 1、行星轨道近动 1921年实验证实 2、光线在引力场论中偏转 1975实验证实 3、雷达回波迟延 70年代 实验证实 4、引力红移 70年代实验证实 这些效应被广泛应用在航天运行中, 其数据库绝密 引力辐射与引力玻 1976年观测脉冲星PSR1913＋16辐射引力轨道进动证实，1993年 Hulse与Taylor 获奖
现代宇宙论 在字观尺度上，任何时刻三维宇宙空间是均匀 的和各向同性的．这就是宇宙学原理。宇宙观测范围1026cm 爱因斯坦宇宙因素改写的引力方程 Robertson-Walker 度规 (球体) 宇宙演化方程
引力场的量子化问题 由于引力引起时空弯曲，引力量子化归 结为时空量子化：时空量子化指标： 引力量子方案仍没有完全得到！ Planck length: lp=(Gh/2C3)1/2=1.610-33cm Planck time: tp=lp/C=5.4 10-44s Planck mass: mp=2.2 10 5g Planck energy: Ep=1.3 10 19 GeV Mass density: p=5.2 10 93 gcm-3 引力量子方案仍没有完全得到！
爱因斯坦的研究成就对 当代物理学的深远影响 爱因斯坦的研究成就对 当代物理学的深远影响 (1) 相对论时空观与对称性 (2) 基本相互作用与广义协变性 （3）微观物理与宇宙物理的统一 －统一场论 （4）宇宙常数与暗物质和暗能量
(1) 相对论时空观与对称性 引出转动对称性 洛伦兹群 角动量守恒 引出平移对称性 平移变焕群 能量、动量守恒 四维相对论时空对称： (1) 相对论时空观与对称性 四维相对论时空对称： 引出转动对称性 洛伦兹群 角动量守恒 引出平移对称性 平移变焕群 能量、动量守恒 四维弯曲时空对称： 弯曲时空对称群－GL（4）群 或 SO（4）群 引力作用 四维时空之中的内部对称： 电磁相互作用 U（1）群，整体荷守恒，局域电磁作用 弱电统一理论 SU（2） U（1）群，弱电作用 强相互作用 SU（3）群，强相互作用 弱电强统一理论 SU（5〕群 高维时空结构－超对称理论（4＋2）－超弦理论（12,16,26等）
(2) 基本相互作用与广义协变性 广义性原理 协变微商 引力 爱因斯坦 1915 电磁 威尔 1921－1929 弱作用 杨振宁 1954 广义性原理 协变微商 引力 爱因斯坦 1915 电磁 威尔 1921－1929 弱作用 杨振宁 1954 弱电统一 60年代末 强作用 70年代 基本相互作用的理论是规范场理论， 是纤维丛几何结构。
（3）微观物理与宇宙物理的统一 －统一场 1027cm 102 10 –13-17 10-33 ？ 宇宙学 经典理论 量子理论 ？ （3）微观物理与宇宙物理的统一 －统一场 1027cm 102 10 –13-17 10-33 ？ 宇宙学 经典理论 量子理论 ？ 爱因斯坦？ 爱因斯坦 新的突破 ？ 宏观物理、微观物理向宇宙物理推广 －新的革命－ 建立弱电强与引力的统一场论
（4）宇宙常数 与暗物质和暗能量 照亮黑暗的宇宙 －暗能量的存在 暗能量占：73％ 暗物质占：23％ 重子仅占 ：4％！ －宇宙在加速膨胀 2003年科学最大突破： 照亮黑暗的宇宙 －暗能量的存在 暗能量占：73％ 暗物质占：23％ 重子仅占 ：4％！ －宇宙在加速膨胀 威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)观测结果, NASA
宇宙成份
宇宙在加速膨胀 3 宇宙加速膨胀过程 1 4 2 5
暗能量的效应 暗能量能产生一种负的压力。爱因斯坦在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，爱因斯坦就放 弃了。 暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量! 宇宙的“加速地”膨胀，是由于一种负压力，也就是暗能量的存在才膨胀的 。 李政道提出了“天外有天”的观念，所谓“天外有天”，是指因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙。 什么是暗能量？ 地球、太阳和所有我们看得见的星云都是由电子、质子、中子构成的，其中有一些极少数的反物质：正电子、反质子……可是，像我们知道的这类物质在我们宇宙中仅仅占了不到百分之五。大多数我们宇宙中的能量是暗物质和暗能量。看不见，也不知道是什么东西。 暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用(核力场)都不起任何作用，可是暗物质有引力场(地心吸力就是引力场)，且是排斥的。通过引力场我们知道 有暗物质存在 。
暗能量最简单的源 暗能量与宇宙膨胀的理论解释 2、第五元素(quintessence)解释 第五元素是除了重子、光子、中微子、暗能量之外的组成宇宙的第五重要素。 引人一个标量场 如果标量场随时间缓慢变化，则 因此， 标量场接近宇宙常数效应。 现代宇宙方程 自然单位 1、宇宙常数解释 宇宙方程右边加 /3 项 当 +3p>0, 且 =0 宇宙减速 当 +3p>0,且 >>0 宇宙加速 宇宙常数是 暗能量最简单的源
结束语 爱因斯坦在建立量子理论和相对论及现代宇宙论中做出了划时代的贡献。 随着当代物理学的发展，爱因斯坦对整个物理学的影响将是深远的。 随着研究物质结构向夸克以下层次和广阔宇宙开展时，人类的实验手段十分有限，因此，爱因斯坦将现代物理学推向顶峰。 物理学向更微观，广阔宇宙发展中，将存在着观念、理论框架、几何结构的更新和突破。 物质结构、宇宙的复杂玄妙超出人类的想象。
谢谢!