相对论1

1899年开尔文在欧洲著名科学家新年聚会的贺词中说：19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰和完善这所大厦了”.同时也提到:“物理学晴朗天空的远处，还有几朵小小的令人不安的乌云.”黑体辐射迈克尔逊—莫雷实验光电效应氢原子光谱康普顿效应量子力学狭义相对论装设大西洋海底电缆Kelvin开尔文English(1824～1907)电磁学方面热力学方面对电工仪表的研究创立波动和涡流返回第三章狭义相对论基础相对论力学是关于高速运动的力学。本章仅简单的介绍狭义相对论的基本物理思想和观点。狭义相对论：1905年由爱因斯坦提出。该理论揭示了时间和空间的关系，引起了物理学的革命。同年又提出了质能相当的关系，在理论上为原子能时代开辟了道路。广义相对论：1916年由爱因斯坦提出。该理论揭示了空间，时间，物质，运动的统一性，几何学与物理学的统一性，揭示了引力的本质，为现代天体物理学和宇宙学的发展打下了重要的基础。音乐名句赏析小楼一夜听春雨，深巷明朝卖杏花。A.Einstein爱因斯坦（1879-1955）German对理论物理学的贡献，特别是发现光电效应的定律获得1921年诺贝尔奖Contributionstomathematicalphysicsanddiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect睿智沉思演讲讲学研究怜子如何不丈夫娱乐幽默工作娱乐爱因斯坦和麦克耳逊，密里根在一起（1931）爱因斯坦和汤姆逊内容提要狭义相对论的基本原理洛仑兹坐标变换式狭义相对论的时空观相对论速度变换相对论动力学伽利略相对性原理经典力学的时空观第一节伽利略（力学）相对性原理经典力学的时空观一伽利略相对性原理S系xyzooxyzVs系系均为惯性系系和SS列举3—5个力学例子（略）结论一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描述机械运动的力学规律来说是完全等价的。一个相对于惯性参照系做匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程，都不受到系统做为整体的匀速直线运动的影响。称为伽利略（力学）相对性原理。固定在地面上固定在相对地面作匀速直线运动的火车上“在这里(只要是匀速运动着),你在一切现象中观察不到丝毫的改变,你也不能根据任何现象来判断船是运动还是静止着.当你在船上的跳跃时候,你所通过的距离和你在静止的船上跳跃时所通过的距离完全相同,也就是说你向船尾跳时并比你向船头跳时----由于船的迅速运动----跳的更远些,虽然你在空中时,在你下面的地板时向着和你相反的方向奔驰着••••••”也就是说,不论船是静止的还是在匀速运动着,轮船上的观察者所观察到的现象是相同的.在一个惯性系内所作的任何力学实验都不能确定这个惯性系是静止的,还是做匀速直线运动.二经典力学绝对时空观«自然哲学的数学原理»:“绝对的,真实的,数学的时间,就其本质而言,是永远均匀地流逝着,与任何外界事物无关.”“绝对空间,就其本质而言,是与任何外界事物无关地,它从不运动,并且永远不变.”2时间的间隔与参考系无关,即所有的惯性参考系中对相同的两事件的时间间隔的测量结果是相同的.也就是说,时间与观测者的运动状态无关,在物理学中称为绝对时间.1空间的长短与参考系无关,即所有的惯性参考系中对相同的两事件的空间间隔的测量结果是相同的.这种空间间隔的长短与观察者运动状态无关的现象,称为绝对空间.3同时的绝对性.三伽利略坐标变换式oSxyzsoxyzVcc0tt系相对系以速度向右运动，设二惯性系的原点在ssV重合。soxyzVccsoxyzVcVt经过一段时间，在时刻tttzyxtzyx,,,,,,P若空间的一点P发生一件事，其时空间的关系为oSxyzsoxyzVccsoxyzVccsoxyzVcVttzyxtzyx,,,,,,P称为伽利略变换或G变换事件的时空坐标变换的关系为ttzzyytVxxttzzyyVtxx或称为伽利略变换或G变换事件的时空坐标变换的关系为ttzzyytVxxttzzyyVtxx或结论1同时性的绝对性2空间的绝对性3时间的绝对性,时间和空间相互独立，与运动无关。经典力学的绝对时空观。5质量与运动无关6牛顿运动定律形式不变性因aa故amFamF4速度的相对性uVuVuuVuuxxuuyyuuzz即1820年奥斯特发现电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应现象，导致麦克思韦在1862年建立了统一的电磁场理论，麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在。1880年，赫兹用实验证实了电磁波的存在。电磁波是以波动的形式传播的。而且当时已测定在真空中电磁波的传播速率就是光速C，达每秒30万公里!!当时，十八世纪的科学家，包括法拉第，麦克斯韦等人企图用“力学模型”来解释电磁波的传播。与机械波类比，认为电磁波的传播也需要一种弹性媒质，把传播电磁波的媒质叫做“以太”（ether），光波（电磁波的一种）在真空中相对以太的速度为第二节狭义相对论的基本原理洛仑兹坐标变换式一狭义相对论的基本原理1历史背景smC1038对以太sm1099792485.28（近代实验测得光速设想其物理图像为：1因电磁波充满宇宙，故以太必充满整个宇宙，称为“以太海洋”；2因光速特大，故以太的弹性系数特大，而密度几乎为零；3以太完全透明；4以太绝对静止，宇宙间所有物体皆相对以太运动，建立在以太上的参考系为绝对静止的参考系，只有在此绝对参考系中，真空中的光速才是C，C是光相对以太的速度。寻找或企图证实确有以太存在的实验假定真的如以上所述，存在以太的话，根据伽利略变换，在相对以太运动的惯性系（如在地球上测量）中，电磁波在真空中沿各个方向的传播速度并不都等于恒量C。因为VCC地球对以太对地球对以太麦克尔逊***迈克尔逊莫雷实验最初目的，验证以太存在。按着以太的假说地球是在以太的海洋中运动，只要在地球上做测量光速的实验，就可以算出地球相对于以太（绝对参考系）的速度，从而证实以太的存在。在地球表面上的水平桌面（实验台）光源地球相对以太的运动在地球上感觉到的以太风分光板反射镜2反射镜1观察者l1l2光源地球相对以太的运动在地球上感觉到的以太风分光板反射镜2反射镜1观察者l1l2cVclVclVclt221111112分光镜反射镜1光源地球相对以太的运动在地球上感觉到的以太风分光板反射镜2反射镜1观察者l1l2CVClVClt22222221122反射镜2VCVC22VCVC22VC22CVClVClt22222221122显然当时计算smV1034tt21，二光有光程差。有干涉条纹形成，转动，应904.0mll1121观察到有干涉条纹移动，约条。cVclVclVclt221111112光源分光板反射镜2反射镜1观察者l1l2迈克尔逊—莫雷实验结果：至多只存在0.01干涉条纹的移动如果考虑到实验的误差，则实验的结果实际上是：根本不存在干涉条纹的移动。在当时的科学家中引起震动。问题出在何处：(一)当时众多物理学者，包括一些大家，崇信经典电磁理论的鼻祖（泰斗）法拉第等人，坚信以太的存在，坚信经典物理理论完美无缺，坚信建立在经典物理基础之上的速度叠加理论完全正确，一句话，他们的思维定式完全为经典物理所羁绊。为解释迈克尔莫雷实验“干涉条纹零移动”结果，曾提出过许多理论和假设，1其一是“以太拖曳理论”，结果说明了迈克尔逊—莫雷实验结果，但该理论随后被“光行差现象”及1851年做的“斐索实验”所否定；2还有“微粒说”，认为光源发光如同枪发射子弹，光速C是光相对光源的速度，这种说法也解释了迈克尔逊—莫雷实验结果，但被其后的“双星实验”否定。3荷兰物理学家洛仑兹提出的所谓“收缩假说”，认为任何物体在相对以太的运动方向上，其长度要收缩倍，这种说法也解释了迈克尔逊—莫雷实验结果，但为什么长度要收缩，洛仑兹始终无法给出满意的解释，因此，长度收缩未被人所接受。当时的物理界对用经典物理理论不能解释迈克尔逊—莫雷实验结果感到大惑不解。1900年，英国科学家Kelwen曾说，物理学中除了几朵小的乌云（它是其中之一）外，其它的所有问题都可用当时的经典物理理论解释。CV221从而形成了十九世纪末经典物理的一大危机。(二)从关于解释了迈克尔逊—莫雷实验结果的各种失败的尝试中看出：有无以太，光速C究竟是对哪个惯性系而言的?爱因斯坦通过对问题的深刻分析，摆脱了经典物理理论的束缚。从一个全新的角度审视问题。看到了经典理论的局限性。具体而言，光速在不同惯性系的速度变换不服从伽利略变换。光速具有绝对性。对于任何惯性系，电磁波在真空中沿各个方向的速度都是恒量。而且与光源的运动状态无关。问题出在哪里?smc1038据此，实验结果迎刃而解。他指出：以太只是一些人科学思维上的杜撰，根本不存在，应当抛弃。1905年，Einstein在前人实验的基础上，独辟蹊径，提出了两条基本原理。打开人类正确认识高速世界的大门。oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系xyzs系o二洛仑兹坐标变换式一事件在二系中的时空作标Ptzyxtzyx,,,,,,设时，重合0ttoo和设此后发生一事件的时空座标为tzyxtzyxp,,,,,,2狭义相对论的两条基本原理（1）相对性原理物理定律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。（2）光速不变原理在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参照系中，所测的的光在真空中的传播速度都相同。（与光源的速度无关）0xyzsoxyzsVPtzyxtzyx,,,,,,和与时空坐标无关。设tVxxVtxx以保证时空的变换是线性关系，同时满足下述的条件。0x0t时0x0x0t0x时据相对性原理tVxxVtxx则0xyzsoxyzsVPtzyxtzyx,,,,,,当，和重合时，由共同的原点沿轴发射一光信号。0ttoox据光速不变原理ctxtcxCCtVxxVtxx代入上式tVtcctVtcttc得出二式相乘，整理得CV2211因而得CVtVxx221CVVtxx221CVCxVtt2221CVCxVtt2221yyzzyyzz含义1同一事件在不同惯性系下的时空座标变换。洛仑兹变换2当时，L变换G变换。或变换L3光速：物体运动的极限速度。CVoxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系oxyzsV系xyzs系o二洛仑兹坐标变换式一事件在二系中的时空作标Ptzyxtzyx,,,,,,设时，重合0ttoo和设此后发生一事件的时空座标为tzyxtzyxp,,,,,,2狭义相对论的两条基本原理（1）相对性原理物理定律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。（2）光速不变原理在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参照系中，所测的的光在真空中的传播速度都相同。（与光源的速度无关）第三节狭义相对论的时空观一同时性的相对性SoxySoxyVAtx11,tx11,SoxyVSoxyVtx11,B