主讲：北京师范大学 赵峥教授
2004年10月北师大04届博士政治课讲座
物含妙理总勘寻
－－颐和园铜亭
1943年8月出生于四川成都。
1967年毕业于中国科技大学物理系，
1981年于北京师范大学天文系获硕士学位（导师刘辽教授），
1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位
（导师普利高津教授，诺贝尔奖金获得者）。
曾任北京师范大学研究生院副院长，物理系主任。
现为北京师范大学物理系教授，
理论物理博士生导师、
教育学博士生导师，
中国引力与相对论天体物理学会理事长。
赵峥教授
赵峥教授长期从事理论物理的教学与研究，
为本科生和研究生讲授过统计物理、量子力学、近代物理
学进展、物理学史、广义相对论、黑洞物理学和弯曲时空
量子场论等课程。
参加和承担过多项国家自然科学基金项目，在相对论、黑
洞物理等领域发表论文100余篇，
在黑洞热性质、时空奇点、钟速同步和热力学的关系等方
面有创新性的工作。
1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。
主要著作有《黑洞的热性质与时空奇异性》、《黑洞
与弯曲的时空》，
科普著作有《探求上帝的秘密-从哥白尼到爱因斯坦
》、《物理学与人类文明》，其中《黑洞的热性质
与时空奇异性》和《探求上帝的秘密》分获第11届和
第12届中国图书奖。
赵峥教授长期为学科教学论专业的研究生、课程班学
生、教育硕士讲授“近代物理概论”、“爱因斯坦与
霍金的宇宙”等课程。
2000年开始担任国家教育部中学《科学课程标
准》研制组组长，2001年开始主持编写初中《科学》
试验教材，该教材已开始在部分地区试用。
•1642年1月8日，伽利略逝世，
同年圣诞节牛顿诞生
•爱因斯坦（1879年3月14日～1955年4月18日）
•霍金（1942年2月18日～）
•伽利略逝世300周年的那一天霍金诞生了
•相对论（狭义相对论）：1905年
•广义相对论：1915年
•明年是相对论发表100周年，爱因斯坦逝世50周年
谨以本讲座做为纪念活动的前奏！
爱因斯坦生平：
1879年3月14日 诞生于德国乌尔姆
中小学时代 德国慕尼黑
1895年 瑞士阿劳中学补习班一年
1896～1900年 苏黎世工业大学
1902～1909年 伯尔尼发明专利局
1909～1914年 进入大学工作 （瑞士、布拉格等地）
1914～1933年 德国物理研究所所长，
柏林大学教授，院士
1915年 提出广义相对论
1933～1955年 美国普林斯顿大学高级研究所
科研情况（发表论文）：
•1901年发表论文1篇
•1902年发表论文2篇
•1903年发表论文1篇
•1904年发表论文1篇
•1905年发表论文5篇
测定分子的大小（博士论文）
布朗运动
相对论
E＝mc2
光子说
1.相对论（狭义相对论 Special Relativity）
光是电磁波，是以太的波动
＊理论上的困难
麦克斯韦电磁理论
作为相对性原
理表达式的伽
利略变换
光速对不同参
考系应不同，
不应是同一个
C值
光速C是一个常数
＊实验上的困难
地球相对于以太运动吗？
光行差现象：地球相对以太有运动
迈克尔逊实验：未测到以太漂移（1887年）
洛伦兹等人为解释迈克尔逊实验提出（1892年）
洛伦兹收缩
x’=x-vt
y’=y
z’=z
t’=t
x’=
y’=y
z’=z
t’=
洛伦兹变换伽利略变换
洛伦兹的观点
放弃相对性原理
麦克斯韦电磁理论只对绝对空间正确
（光相对绝对空间的速度是c）
存在洛伦兹收缩
用洛伦兹变换取代伽利略变换
（两种变换不仅数学形式不同，而且物理解释
也不同）
1905年爱因斯坦在不知道洛伦兹工作的情况下
光行差现象
斐索实验
（迈克尔逊实验）
从 相对论原理
光速不变原理
爱因斯坦的理论受到洛伦兹的反对，
洛伦兹称其为相对论
洛伦兹变换
考虑
相对论提出
动尺收缩，
动钟变慢，
双生子佯谬，
2、广义相对论（General Relativity）
1）狭义相对论的两个困难
2）广义相对论的物理基础
3）广义相对论的数学基础
4）广义相对论的核心
5）实验验证
1）狭义相对论的两个困难
惯性系无法定义
万有引力定律纳不进相对论框架
2）广义相对论的物理基础
广义相对性原理
等效原理
马赫原理
空间曲
率
平行线 三角形
三内角
之和
圆周率 举例
黎氏几何 正 无 >1800 <π 球面
欧氏几何 零 一条 ＝1800 ＝π 平面
罗氏几何 负 两条以
上
<1800 >π 伪球面
欧氏几何、罗氏几何（鲍耶、高斯、罗巴切夫
斯基）、黎氏几何
3）广义相对论的数学基础:
黎曼几何与张量分析
4）广义相对论的核心
场方程
运动方程
万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现
行星绕日运动
时空曲率 物质 物质使时空弯曲
测地线方程
（伽利略的有
趣“错误”）
地球上的自由落体运动 都是惯性运动
5）实验验证
引力红移、
光线偏折、
行星轨道近日点的进动
3、膨胀的宇宙
1915年 广义相对论
1917年 爱因斯坦：有限无边均匀静态宇宙
1922年 弗利德曼：膨胀或脉动的宇宙
1929年 哈勃定律：V＝HD
1948年 α、β、γ的大爆炸模型（伽莫夫）
1965年 发现微波背景辐射（彭齐亚斯、威尔逊）
1979年 古斯（）暴胀模型
宇宙项：
宇宙项 （1917年提出，1923年放弃）
亮星 ％
重子 4％
中微子 ％
冷暗物质 29％
起源于λ
动力学暗能量
GR在宇观尺度失效
物
质
暗物质与暗能量
暗物质
暗能量 65％
4、黑洞
1）从牛顿理论预言（200年前，拿破仑时代）
米歇尔（1783）
拉普拉斯（1796）
≥
≤
最亮的星有可能是看不见的 ( 暗星)
《天体力学》
第一版（1796年）、
第二版（1799年）、
第三版（1808年）
第三版中去掉“暗星”的预言
原因：
1801年托马斯·杨完成干涉实验，
光的波动说（惠更斯）战胜微粒说（牛顿）
神童、奇才－托马斯·杨（Thoms
Young）英国人
2）从广义相对论预言
＊1916年 史瓦西解，史瓦西时空中的奇点与奇面
＊1939年奥本海默从GR预言黑洞，r=
(静态，球对称)
（遭到爱因斯坦, 爱丁顿，惠勒等人反对）
当时已经发现白矮星（天狼B星）并已预言了中子
星（1932年朗道）
3）白矮星与中子星
A、天狼星（大犬座α）天空中最亮的恒星，
距我们9光年
青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。
操余弧兮反沦降，援北斗兮酌桂浆。
－屈原九歌（七）东君
老夫聊发少年狂，左牵黄，右擎苍。
锦帽貂裘，千骑卷平冈。
欲报倾城随太守，亲射虎，看孙郎。
酒酣胸胆尚开张，鬓微霜，又何妨！
持节云中，何日遣冯唐？
会挽雕弓如满月，西北望，射天狼。
－苏东坡江城子 密州出猎
＊1834年发现天狼星位置有周期性变化
天狼B星是白矮星，密度175kg／cm3，表面
温度1万度1862年发现天狼伴星（B 星）
白矮星靠电子间泡力斥力支撑。
钱德拉塞卡：相对论性电子气；
白矮星质量上限
钱德拉塞卡与爱丁顿的争论，泡力的观点
B、中子星与奥本海默极限
中子的发现：
约里奥·居里夫妇（1931年）
查德维克（1932年）
1935年的诺贝尔物理奖与化学奖
中子的预言：
1932年郎道
中子星的质量上限 2～3M：
1939年奥本海默
中子星(脉冲星)的发现
1967年 休伊士与贝尔 巡天观测，
“小绿人”
C、主序星、白矮星、中子星与黑洞的比较
星体 半径(公里
)
密度
(/cm3)
发现时间 质量上限
（M）
太阳 70万 ～1克
白矮
星
1万 ～1吨 1862年（天狼
伴星）
中子
星
10 ～10亿
吨
1967年（脉冲
星）
2～3
黑洞 3 ～100
亿吨
4）黑洞研究的高速发展（1963-1974）
1961 年 Kerr解 转动、轴对称时空
1964年 奇性定理
1967年 中子星的发现、无毛定理
1971年 面积定理
1972年～1974年 黑洞热力学
1974年 霍金辐射
80年代后 无重大进展
A、黑洞热力学的建立（主要几步）
①无毛定理，M，Q，J （1967年，伊斯雷尔等）
②面积定理 （1971年 ，霍金）
③黑洞面积就是熵 （1972年， 贝根斯坦）
δA≥ 0 ,即δS≥ 0
Bekenstein 公式：
转动带电刚体：
普通热力学
④霍金等人反对，但给出黑洞力学四定律 （1973
年）
⑤Unruh效应：在真空中做匀加速直线运动的观测
者，发现自己处于热浴之中，T∝a
⑥霍金辐射：黑洞通过量子隧道效应产生热辐射，
T∝K
B、关于奇点定理
①黑洞与白洞的奇点、奇环，大爆炸宇宙的奇点
②卡拉特尼可夫与栗弗席兹的错误
③彭若斯的工作，奇点看作时间的开始与结束。（1964年）
④霍金的工作，（彭若斯与霍金 1969）
奇性定理指出：时间一定有开始和结束。
此定理极为重要，但可能未做到头，且首功属于Penrose.
5、爱因斯坦、霍金在历史上的地位
1）、爱因斯坦的成就
SR、GR，统一场论？光子说、
与哥本哈根学派的论战、
爱因斯坦－玻尔统计、
激光（受激辐射）
2）霍金的成就：
面积定理 δA≥ 0
霍金辐射（最重大成就）
奇性定理（首功属于彭若斯）
显示出相对论与热力学之
间可能有本质的联系！
建立黑洞热力学
3）谁是最伟大的科学家
20世纪初：谁是第二伟大的科学家？
爱因斯坦？玻尔？
20世纪中：爱因斯坦与牛顿并列，
玻尔是本世纪最伟大的科学家之一。
20世纪末：
杨 振 宁 认为： 爱因斯坦、狄拉克、朗道
美利坚哲学学会： 爱因斯坦、狄拉克、杨振宁
美国富兰克林学会：牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、杨振宁
4）杨振宁的主要贡献：
规范场： （1953年 31岁）
宇称不守恒 （1956年 34岁）
杨－巴克斯特方程 （1967年 45岁）
李政道（31岁）、杨振宁（35岁）
获诺贝尔奖（1957年）
