15.1 相对论的诞生(修改)

第十五章相对论简介15.1相对论的诞生牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革的标志相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。后人续写道:上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。20世纪最伟大的科学家爱因斯坦1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“……船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动……”一、经典的相对性原理1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系2、伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．v光速＝c光速＝vc二、相对性原理与电磁规律麦克尔逊莫雷实验三、狭义相对论的两个基本假设1、狭义相对性原理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的2、光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论2.时间和空间的相对性在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．一、“同时”的相对性车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁结论：1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的二、长度的相对性v车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：0ll0ll201cvll注意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的X轴方向上，在Y轴方向上无长度缩短效应动尺变短（空间收缩效应）S′O′X′Y′ABOSXYu1x●l结论一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉.三、时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟相对速度与动钟延缓效应(τ=1s）•V（米/秒）•0.1c=3×107•0.5c•0.8c•0.9c•0.99c•0.999c•0.9998c•T(秒)•1.01•1.15•1.67•2.29•7.1•22.4•50201cvtt四、时空相对性的实验验证根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．201cvtt201cvll当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显．狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一．牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。五、相对论的时空观小结一、“同时”是相对的二、长度的相对性三、时间间隔的相对性201cvtt201cvll这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值1810992mSc.•爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理可表述于下：•1.相对性原理相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯性系的运动状态。•2.光速不变原理相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量，c＝3.0×108米/秒，与传播的方向无关，与光源的速度也无关。当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。(1)“同时”的相对性－－情况1：对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的讲解关键：在各个参考系中光速都为c情况2：地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的（利用相对运动原理）(2)长度的相对性-v车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：llll21cvll(3)时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟相对速度与动钟延缓效应(τ=1s）•V（米/秒）•0.1c=3×107•0.5c•0.8c•0.9c•0.99c•0.999c•0.9998c•T(秒)•1.01•1.15•1.67•2.29•7.1•22.4•50(5)时空相对性的实验验证根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）；另一种主张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：对两个基本原理的正确理解①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；②强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。小结一、伽利略相对性原理力学规律在任何惯性系中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设1、狭义相对性原理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的2、光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是光速的问题不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的．在不同参考系中观察物体的运动情况对于车厢内的人：对于车厢外的人：cht202224vchth201cvtt19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．麦克尔逊莫雷实验