03经典时空观及其局限性

第一章质点运动时间空间1-1质点运动的描述之一1-2质点运动的描述之二1-3经典时空观及其局限性1-4相对论时空观1-3经典时空观及其局限性爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家。他于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,于1905年提出了光量子假设,并于1916年被密立根的光电效应实验所证实。为此他在1921年获得了诺贝尔物理学奖。AlbertEinstein(1879–1955)年轻时的爱因斯坦爱因斯坦在量子理论方面他有很多重要的贡献。1906年用量子理论说明固体热容与温度的关系；1916年提出自激发射和受激发射的概念；1917年开创了宇宙学研究新纪元，并于1946年后发展为宇宙大爆炸理论；1925年以后一直不懈地致力于统一场论的研究工作。AlbertEinstein(1879–1955)爱因斯坦像爱因斯坦(1879-1955)简介爱因斯坦于1879年3月14日出生在德国，1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学，1901年入瑞士国籍。后在伯尔尼的瑞士专利局任审查员，1905年接连发表了四篇重要论文`，建立了狭义相对论并奠定了量子物理学的基础。1914年到柏林普鲁士科学院任职并于1916年建立广义相对论。1933年希特勒执政后，他受美国普林顿大学邀请赴美并取得美国国籍，晚年主要精力集中在统一场论的研究上。1955年4月18日去世。爱因斯坦是人类历史上最具创造性的人物之一，在人类对宇宙认识的贡献上是无与匹敌的。一、惯性参考系0NFPFamFPFN02.车厢参考系：小球加速度为a小球静止，因此小球的加速度为零，而它受的合力为零，这符合牛顿第二定律.相对于作加速运动的车厢参考系，牛顿第二定律不再成立.a在车厢中光滑桌面上有一个钢球,车厢以加速度向右前进.a1.地面参考系：GNF定义：适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考系；反之，叫做非惯性参考系.惯性系的性质相对于一惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系.反之，相对于一惯性系作加速运动的参考系一定不是惯性参考系，即一定是非惯性参考系.惯性系的判断判断是否是惯性系，要根据实验观察.严格的惯性系是关于参考系的一种理想模型.太阳参考系是一个很好的惯性系，通常近似取地面参考系为惯性参考系.伽利略意大利物理学家。伽利略毕生进行了大量实验。他奠定了经典力学中运动学理论的基础。他提出了自由落体定律，驳斥了亚里士多德对落体运动的错误观点，进行了著名的斜面试验，证实了自由落体运动是一种匀加速运动。为进行天文观测，他制造和改进了望远镜。在力学和天文学上伽利略做出了重大贡献。GalileoGalilei(1564-1642)伽利略伽利略简介伽利略出生于意大利的比萨城。他起先学医，后开始学习数学和物理学。他在帕多瓦大学任教18年，并研究力学和天文学。伽利略得到许多科学家的崇敬，但同时也遭到教会的嫉妒和仇恨。1633年以后伽利略一直被软禁，在软禁期间，他总结了一生在力学方面的研究，1638年出版了他最后一本著作«关于力学和位移运动两门新科学的对话»。这本书拿到手中，他已两眼失明。伽利略于1642年去世。他去世后337年，即1979年罗马教皇约翰.保罗二世才公开承认，对伽利略审判不公正，为他恢复名誉。伽利略是近代科学的先驱，为创造近代科学他走过一条艰辛的道路。二、伽利略变换和经典时空观念1.伽利略坐标变换oyzxK'z'y'x'o'Kx'xutuP0t时,'xx0一个参考系静止K系，另一个参考系沿Ox轴以速度运动K’系，u伽利略坐标变换公式:txxu'yy'zz'tt'同时性是绝对的在K系同时发生的两个事件，在K’系中也是同时发生的.2.经典时空观时间间隔是绝对不变量'ΔΔtt在K系和K’系中时间量度相同.t't空间间隔是绝对不变量在K系和K’系中量度同一物体的长度是相同的.即''1212xxxx,'11utxxutxx'22'll即'xx同理,'yy'zz21222zyxl21222''''zyxl所以绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关的流逝着。——牛顿时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理实践已证明,绝对时空观是不正确的.绝对时空概念：三、经典相对性原理由坐标变换公式对时间求二阶导数'xa'yyaa'zzaa'aaamF'amF经典力学定律在伽利略变换下形式不变.ttaxddddxxvv经典（力学）相对性原理：力学现象对于一切惯性系来说，都遵守同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的.vcc'x'xy'yvo'oz'z'ssc麦克斯韦电磁理论的一个重要结论：真空中的光速smc/10998.21800（光速是一个与惯性系选取无关的常量）按照经典理论的伽利略变换：（光速和惯性系的选取有关）四、以太假设和洛伦兹变换的出现1.以太假设投出前cdcdt121ttvcdt2结论观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球根据伽利略变换，计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波到达观察者所需要的时间。投出后vcv实际持续时间约为22个月ABttt理论计算超新星爆发的强光的时间持续约l=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度ABvcltAA点光线到达地球所需时间cltBB点光线到达地球所需时间研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问。年25伽利略变换和麦克斯韦电磁理论的矛盾，使许多物理学家希望通过保留以太这一绝对惯性系，来寻求问题的解决。为此设计了许多实验，其中最著名的就是迈克耳孙—莫雷实验。迈克耳孙和莫雷利用自制的干涉仪，期望通过光在不同方向的传播产生的光程差，观察到干涉条纹的移动。他们在不同环境条件下进行多次实验，始终未得到预期的结果，即未观测到地球相对“以太”的运动。2.迈克耳孙—莫雷实验3.洛仑兹变换式oxyzo´z´y´x´vP(x,y,z,t)(x´,y´,z´,t´)惯性系S和S´，S´系沿xx´轴相对S系运动，一事件发生在P点。洛仑兹时空坐标变换式：)(12vtxcvvtxx)(1222cvxtcvcvxttzzyy正变换)(1222cxvtcvcxvtt)(12tvxcvtvxxzzyy逆变换讨论：2.与伽利略变换不同，时间与空间有密切关系。变换，即相对论结论与经典力学结论相同。0,cvcv时当3.洛仑兹变换转化为伽利略则光速c为一切实际物体的速度极限。虚数时当21,cvcv4.','txtx,11.与成线性关系，但比例系数.5.物理意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变.1.狭义相对论产生的背景五、狭义相对论原理麦克斯韦电磁理论在赖以建立的时空关系问题上遇到巨大的困难。许多物理学家想通过保留以太这一绝对惯性系，来寻求问题的解决。爱因斯坦坚信电磁理论的正确性，摆脱经典力学时空观的束缚，革命性地提出狭义相对论。2.狭义相对论基本原理：1.爱因斯坦相对性原理：在所有惯性中，物理定律的表达形式都相同，即所有惯性参考系对运动的描述都是等效的。2.光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速具有相同的量值c，它与光源或观察者的运动无关。六、相对论的时空观1.同时的相对性vv设地面为S系，S´系固定于以速度v运动的车厢说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的.v'x'y'o121236912369'x'y'o12xyov123691236912369事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.S´系的钟S系的钟0'''12ttt0'''12xxx在S´系中同时不同地发生两事件0122cvxcv221cvxcvtt讨论：(1)沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义.在S系(3)在S´中可为任意值.若大于零，可大于、小于或等于零.则两个独立事件的时间顺序在不同惯性系可颠倒，但对有因果关系的事件，不应颠倒.1212,xxtt12tt12tt(2)在一惯性系同时同地发生的两事件，在另一惯性系是同时的.0'''12ttt0'''12xxx01''22xcttv在S系在系同时同地发生的两事件S'2.长度收缩（洛仑兹收缩）1x2x尺子相对S´系静止012lxxxl12xxxl固有长度l0—观察者相对物体静止时所测得的长度。S´系测得尺的长度：S系测得尺的长度：oxyzvo´z´y´x´在相对运动的参考系中测量两个事件要求21tt21cvtvxx由21cvxx则21cvxx则201cvlll20)(1cvll长度收缩公式：讨论：(1)长度测量与物体相对观察者的运动有关，长度收缩是一种相对效应。运动物体在运动方向长度收缩（洛仑兹收缩），垂直运动方向长度不收缩.(3)长度收缩也适于某惯性系两固定点间距离的测量.(2)当vc时，长度收缩可以忽略。例第二宇宙速度：v=11.2103m/s则8210)(cv即时,10ll0ll运动的钟走得慢3.时间的延缓s'系同一地点B发生两事件)','(2tx)','(1tx发射一光信号接受一光信号cdttt2'''12时间间隔'yx'xyvo'os'sdB12369固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.0t'0tt012'ttttt)''(2cxttv0'x0'tttxyosd12369123691x2x123692201cvtt在S系中观测两事件),(),,(2211txtx讨论：(1)ΔtΔt0，即S系的钟纪录S´系某一地点发生的两事件的时间间隔比S´系的钟纪录该两事件的时间间隔要长，可以说，运动的时钟走慢了，也称为时间延缓。同样，从S´系看S系的钟也走慢了.(2)只有在相对运动速度接近于光速时，时间延缓效应才明显.当vc时，Δt≈Δt0，时间延缓效应可以忽略.(3)时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程。（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等.）狭义相对论的时空观：两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，时间和空间的量度与参考系的选择有关。也就是说时间、空间和运动三者之间紧密联系，是不可分割的一个整体。光速C是建立不同惯性系间时空变换的纽带。