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作品简介:

赵峥,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。赵峥教授长期从事理论物理的教学与研究,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,曾两次获得国家教委科技进步二等奖。

望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史,使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去。由于光信号的传播需要时间,我们看到的天体都是它们过去的样子,越远的天体图像越古老,因此望远镜不仅在看远方,而且在看历史。天文望远镜的出现,极大地加深了人类对宇宙和时空的认识,也极大地促进了天文学和物理学的发展。相对论和现代化时空理论、现代宇宙学的创立和发展,都离不开望远镜的贡献。本文集收录赵峥教授《广义相对论入门讲座》和《相对论、宇宙与时空》为题的连载文章,以纪念发明天文望远镜这一科学史上的重大历史事件。

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关键词:

赵峥 相对论 宇宙 时空
卜世冬
山西省昔阳县东冶头中学校
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目录

第1章 广义相对论入门讲座
1.《广义相对论入门讲座》连载①——狭义相对论
赵峥
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...   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第07期 作者:赵峥
2.《广义相对论入门讲座》连载②——广义相对论的物理基础
赵峥
<正>1狭义相对论的困难洛伦兹变换表明,时间和空间存在内在联系."能量动量张量"的表达式和"质能关系式"等表明,质量和运动不可分割.光速不变原理和相对性原理告诉我们,一切惯性系都是平权的,不可能测出相对   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第08期 作者:赵峥
3.《广义相对论入门讲座》连载③——黎曼几何中的张量
赵峥
<正>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...   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第09期 作者:赵峥
4.《广义相对论入门讲座》连载④——度规张量
赵峥
<正>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)   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第10期 作者:赵峥
5.《广义相对论入门讲座》连载⑤——时间与空间
赵峥
<正>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.   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第11期 作者:赵峥
6.《广义相对论入门讲座》连载⑥——测地线、联络、曲率与...
赵峥
<正>1测地线平直时空是用欧几里德几何描述的,直线在其中占有重要地位.它是两点间的最短线.弯曲时空中一般不存在直线,但是,两点间会有最短线或最长线,统称短程线或测地线.测地线在黎曼几何中的作用,相当于直线在欧儿里德几何中的作用.广义相对论诞生前,数学家就曾对弯曲空间中的测地线进行过...   详情>>
来源:《大学物理》 2011年第12期 作者:赵峥
7.《广义相对论入门讲座》连载⑦——爱因斯坦场方程
赵峥
<正>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.满足相对性原理   详情>>
来源:《大学物理》 2012年第01期 作者:赵峥
8.《广义相对论入门讲座》连载⑧——广义相对论的实验验证
赵峥
<正>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   详情>>
来源:《大学物理》 2012年第02期 作者:赵峥
第2章 相对论、宇宙与时空
1.《相对论、字宙与时空》连载①——人类早期对宇宙的认识
赵峥
今年是天文望远镜发明400周年.望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史,使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去.由于光信号的传播需要时间,我们看到的天体都是它们过去的样子,越远的天体图像越古老,因此望远镜不仅在看远方,而且在看历史.天文望远镜的出现,极大地加深了人类对...   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第01期 作者:赵峥
2.《相对论、宇宙与时空》连载②——爱因斯坦与狭义相对论...
赵峥
1两朵乌云1900年,就是八国联军侵略中国的那一年,东方各国大都处于西方帝国主义的奴役之下,只有日本由于明治维新而走上了富强的道路.那年的4月27日,在英国皇家学会迎接新世纪的年会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言.在回顾过去岁月之后,他充满   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第02期 作者:赵峥
3.《相对论、宇宙与时空》连载③——爱因斯坦与狭义相对论...
赵峥
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).爱因斯坦不知道洛伦兹等人的工作,也没有注意迈   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第03期 作者:赵峥
4.《相对论、宇宙与时空》连载④——爱因斯坦与广义相对论...
赵峥
1平行线只有一条吗几何学起源于古埃及尼罗河水泛滥后土地的丈量,完成于公元前300年左右的古希腊托勒密王朝时期.当时,著名的数学家欧几里得应国王的邀请,到首都亚历山大城的科学院工作.他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   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第04期 作者:赵峥
5.《相对论、宇宙与时空》连载⑤——爱因斯坦与狭义相对论...
赵峥
4广义相对论的实验验证爱因斯坦发表广义相对论的时候,求出了场方程的一些近似解.他提出了3个检验广义相对论的实验:1)引力红移;2)轨道进动;3)光线偏折[1,2,4—17].按照广义相对论,时空弯曲的地方,钟走得慢,即时间会变慢.时空弯曲得越厉害,钟走得   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第05期 作者:赵峥
6.《相对论、宇宙与时空》连载⑥——恒星演化的归宿(白矮...
赵峥
1赫罗图指向天空的望远镜发现,千亿计的恒星各式各样,它们不仅光度不同,颜色也各异,真是千姿百态、绚丽多彩.这里的光度,是指恒星的绝对光度.绝对光度反映,在扣除掉恒星距离我们远近不同产生的影响之后,恒星的真实亮度,即反映了恒星在单位时间内释放出的光能.从绝   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第06期 作者:赵峥
7.《相对论、宇宙与时空》连载⑦——相对论预言的天体(黑...
赵峥
地球上真有一个叫“黑洞”的地方,在印度的加尔各答.那是一栋建筑内的一间石砌的囚室,英国殖民者用来关押犯人,通常可以关押3~4人.1757年围绕这栋建筑发生了一场可怕的战斗.武装的印度民众与英军进行了血战.战斗结束后,死伤惨重的胜利者愤怒地把146名战败者   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第07期 作者:赵峥
8.《相对论、宇宙与时空》连载⑧——相对论预言的天体(黑...
赵峥
<正>5黑洞热力学人们认为激发态的黑洞具有生命力,而基态的黑洞则是一颗死亡的星,是恒星演化的最后归宿.基态的史瓦西黑洞除去能不断吞食物质外,不会再有任何物理过程.然而,这个认识很快就被推翻了.基态的黑洞,实际上也是一颗充满生命力的活跃的星.我们先看一下黑洞的"无毛定理"和"面积定理".   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第08期 作者:赵峥
9.《相对论、宇宙与时空》连载⑨——深入浩瀚的星空(上)
赵峥
1太阳、地球与月球我们的太阳系由太阳、8颗行星及其卫星、小行星、彗星以及大量尘埃、气体、等离子体、辐射粒子和电磁场构成,直径几乎达到1l.y.(l.y.为光年,光走过一年的距离)[1-6].我们居住的地球是太阳系中密度最大的一颗行星.地球的外面,笼罩着大   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第09期 作者:赵峥
10.《相对论、宇宙与时空》连载⑩——深入浩瀚的星空(下)
赵峥
4.银河系当伽利略把望远镜指向银河的时候,发现夜空中那像薄雾般淡淡的带子,原来是密密麻麻数不清的星星.人们逐渐认识到这是一个巨大的旋转的盘状星系,由大约2 000亿颗恒星组成,我们的太阳系是这个巨大星系的一部分,位于它的转盘的边缘[1-10](图16,图   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第10期 作者:赵峥
11.《相对论、宇宙与时空》连载(11)——演化的宇宙
赵峥
自然界存在4种相互作用(强作用、弱作用、电磁作用和万有引力作用),它们的强度相差很大.如果以强作用的强度定为1,则电磁作用为10-2,弱作用为10-14,而引力作用为10-39.引力相互作用与强、弱、电磁作用相比太微弱了,完全可以忽略不计.所以,爱因斯坦   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第11期 作者:赵峥
12.《相对论、宇宙与时空》连载⑿——时空隧道与奇性疑难
赵峥
1连接宇宙的虫洞———时空隧道相对论和量子论告诉我们,原始的宇宙诞生于虚无飘渺之中.在最初的10-43s之内,宇宙处于一片混乱的“混沌”状态,分不清上和下、左和右、先和后,或者说分不清时间和空间.宇宙就像一锅沸腾的稀粥,充满了时空泡沫(图1)[1-4].   详情>>
来源:《大学物理》 2009年第12期 作者:赵峥
13.《相对论、宇宙与时空》连载(13)——时间的性质(上)
赵峥
广义相对论研究触及了关于时间的许多问题.然而,“时间是什么?”这个看似人人皆知的问题,回答起来却万分困难.公元4世纪,早期基督教思想家圣奥古斯丁在他的《忏悔录》中写下了一句至理名言:“时间是什么?无人问我,我很清楚,一旦问起,我便茫然.”[1]现代自然科   详情>>
来源:《大学物理》 2010年第01期 作者:赵峥
14.《相对论、宇宙与时空》连载——时间的性质(下)
赵峥
8时间测量的基础———“约定光速”相对论诞生之后,人们逐渐认识到不仅时间的测量有问题,空间的测量也存在问题.一根尺在不同的地方,长度是否一样,尺子在移动过程中长度会不会改变,都成了需要深思的问题.哲学家们在探索“时间本质”上所发挥的激情,使时间测量问题更   详情>>
来源:《大学物理》 2010年第02期 作者:赵峥

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