狭义相对论

狭义相对论简介爱因斯坦（AlbertEinstein，1897-1955）爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国乌尔姆市一个犹太人家庭里。他的家庭于1894年移居意大利米兰市。1895年爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学学习。1896年爱因斯坦进入苏黎世工业大学，攻读理论物理学。1900年，爱因斯坦大学毕业后即失业，做了两年中学代课教师，后去瑞士伯尔尼市联邦专利局工作，从1902年到1909年，他在那里任“三级技术员”。1905年爱因斯坦发表了5篇论文，其中3篇都有资格获得诺贝尔奖。1909年爱因斯坦任苏黎世大学编外教授。爱因斯坦的主要科学成就：1.创立了狭义相对论。1905年他发表了题为《论动体的电动力学》的论文(载德国《物理学年鉴》第4编，17卷)，完整地提出了狭义相对论，揭示了空间和时间的本质联系，引起了物理学的革命。提出了质能关系式，在理论上为原子能时代开辟了道路。2.发展了量子理论。1905年爱因斯坦发表了题为《关于光产生和转化的一个启发性观点》的论文，提出了光的量子论，于1916年被密立根的光电效应实验所证实，由此获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系；1912年用光量子概念建立了光化学定律。3.建立广义相对论。他在1915年建立的广义相对论揭示了空间、时间、物质、运动的统一性，几何学和物理学的统一性，解释了引力的本质，为现代天体物理学和宇宙学的发展奠定了重要基础。爱因斯坦用广义相对论研究整个宇宙的时空结构，于1917年开创了宇宙学研究的新纪元，导致宇宙膨胀理论的建立，并于1946年后发展为宇宙大爆炸论。1916年提出自激辐射和受激辐射理论，为60年代激光的出现奠定了理论基础。1924年发展了量子统计理论，提出了量子统计法――玻色－爱因斯坦统计法。§1什么是相对论？相对论实质上是一种时空理论，是揭露时空对称性、揭示时空本质的成功理论，它在描述物质客体的运动规律时展现了物质世界的时空结构。§2狭义相对论1-1牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理牛顿绝对时空观：认为时间与空间相互独立，与与物质的存在和运动无关。“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同和不动的”，“绝对的真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于基本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着。”1632年，《关于两大世界体系的对话》：“把你和朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫，舱内放一只大碗，其中放几条鱼。然后挂上一个小瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口缸里。船停着不动时，你留神观察小虫都以等速向船舱的各个方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中，……你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后，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，你也无法伽利略相对性原理和伽利略坐标变换从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你向船尾跳不会比跳向船头来得远。……水滴象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，决不会向船尾集中。……。伽利略在驳斥“地心说”时，阐述了他的相对性原理。他指出在地球上进行的一切力学实验都不能证明地球是否在运动，任何一个相对于地面参考系作匀速直线运动的参考系，在描述力学现象时，与地面参考系完全等效。YYZZoXX),,(),,(zyxzyxP'OS为固定惯性系S´为运动惯性系ttzzyyvtxx''''伽利略坐标变换式伽利略变换表明：(1)时间、同时性是绝对的。tttt(2)空间是绝对的。),,(111zyx),,(222zyxS系),,(111zyx),,(222zyxS´系212212212212212212)()()()()()(zzyyxxzzyyxx(3)时间和空间的彼此分离和独立的。速度变换式：zzyyxxuuuuvuu加速度变换式：zzyyxxaaaaaaamFamF,力学运动定律具有伽利略变换不变性。经典相对论1,000,000ms-11,000,000ms-1■飞船A以多快的速度接近飞般B?■两个飞船都看到对方以2,000,000ms-1的速度向自己飞来.■这是经典相对论给出的结论.伽利略相对性原理：在一切惯性系中，力学定律有完全相同的表达形式。在所有惯性系中，运动物体所遵循的力学规律是完全相同的，即对描述力学现象的规律而言，所有惯性系都是等价的。在一切惯性系中，力学现象按同样的方式进行着。在一个惯性系内部的任何力学实验不能确定该惯性系是静止还是匀速直线运动。SSS系匀速直线运动匀速直线运动仅凭观测球的上抛和下落，不能觉察车相对地面的运动。1-2狭义相对论的建立一、迈克耳孙-莫雷实验十九世纪末，在光的电磁理论发展过程中，有人认为宇宙间充满着一种叫做“以太”的媒质，光是靠“以太”来传播的，并且把“以太”选作绝对静止的参考系。凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动。0)(1222222222EEzyxtcS系0)(1222222222E'E'zyxtcS’系麦克斯韦电磁理论的重要结论：电磁波在真空中的速度是一个与参考系无关的常量。然而按照经典力学的伽利略变换式，物体的速度是和惯性系的选取有关的，这样，光速就应随惯性系的选取而异，不再是一个不变的常量了。这就产生了一个问题：经典力学的相对性原理，即伽利略变换式能否应用于麦克斯韦的电磁理论？2/100)/(1c迈克耳孙-莫雷实验G2M1MTS历史上一些物理学家设计各种实验，希望通过运动参考系中所发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。1887年，迈克耳孙-莫雷企图利用光干涉的方法，确定“以太”的存在。G2M1MTS“以太”风“以太”风G2M1MTSvv迈克耳孙–莫雷实验否定了以太的存在，也否定了绝对参考系的存在，使牛顿力学失去了绝对参考系。整个经典物理的根基被动摇了。1905年，爱因斯坦发表题为《论运动物体的电动力学》的论文，宣布：“以太是多余的”，抛弃缺乏事实根据的以太假设，突破了经典力学的时空观，提出一个崭新的时空理论——狭义相对论。爱因斯坦年仅26岁，揭开了由第一朵乌云引起的物理学革命的序幕。二、爱因斯坦建立狭义相对论爱因斯坦的狭义相对论1,000,000ms-10ms-1300,000,000ms-1•两名宇航员都在测量向他们传来的光的速度•那么他们测到的光速是多少呢?1-3洛伦兹坐标变换2222211cvcvxttzzyycvvtxxS为固定惯性系S´为运动惯性系vtYYZZoXXv),,(),,(zyxzyxP'O狭义相对论基本原理：1、狭义相对论的相对性原理：在所有惯性系中，一切物理定律都具有相同的形式。即所有的惯性系对运动的描述都是等价的。2、光速不变原理：在所有惯性系中，真空中光沿各个方向的传播速度都是c，与光源及观测都的运动状态无关。zzyycvtvxx2212221cvcxvtt讨论：0,.1cvcv时当vtxxcvvtxx221结论：在速度远小于光速C时，相对论结论与牛顿力学结论相同。ttcvcvxtt2221虚数时当21,.2cvcv结论：光速C为一切实际物体的速度极限，不存在超光速的物体。爱因斯坦认为空间和时间是相对的。牛顿力学反映低速范围的物质运动规律，而相对论适合于小于或等于光速的物质运动范围，可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于光速的范围内的力学运动规律，其中不仅包括高速运动、也包括低速运动。1-4狭义相对论的时空观一、“同时”的相对性牛顿观点：向前脉冲速度59万公里/秒，向后脉冲速度1万公里/秒，光脉冲仍然同时到达两反光镜。火车的速度为每秒29万公里，光速为每秒30万公里。在火车中，两光脉冲同时到达反光镜。在地面上爱因斯坦观点：光向前，向后的速度30万公里/秒；光脉冲先到车尾、后到车头。在火车里同时发生的两个事件在地面上变得不同时了！同时的相对性：两个惯性系没有共同的同时性，在一个惯性系中同时发生的两件事，在另一个惯性系中可能是不同时的。两个独立事件发生的先后次序在不同惯性系中可能发生颠倒。对于有因果关系的关联事件，在任何惯性系中观测，其时间次序是不会颠倒的，否则就会违背因果律，也是与相对性原理相矛盾的。所以，关联事件的时间次序是绝对的。二、时间膨胀效应22221lalallhtclvtva2tttcv1122ch2火车：clt2地面：动钟变慢、时间膨胀效应。hall时钟变慢•‘嘀达’声的时间间隔=距离/光速•对于运动的时钟来说，光走的距离长…–…但是光速是一样的…–…所以移动的时钟走的慢!Voxyzo´z´y´x´v两事件发生在S´系中的同一地点x´，时间分别为t1´和t2´。S系测得的时间：t1和t222111cvxcvtt22221cvxcvtt21212)(1cvttttt12tt令：时间膨胀公式：221cvtt结论：时间膨胀效应表明了时间间隔只有相对意义，运动的时钟变慢了。在物体的静止参考系中同一地点先后发生两事件的时间间隔。本征时间：设有一个以速率0.9998c飞行的宇宙飞船，船上的指示灯亮灭一次，在飞船上时钟记录下来的时间是1s(原时)，而在地球上，时钟记录下来的时间则为当地球上的人与飞船上的人相互核对该指示灯亮灭一次所经历的时间时，地球上的人认为飞船上的钟变慢了。同样，如果该事件是发生在地球上某处，经历的时间为1s，在宇宙飞船上的钟的计量的结果则为50s。此时，飞船的人则会说地球上的钟变慢了。)(50)9998.0(112st时间是相对的。不同惯性系的共同结论是：对本惯性系作相对运动的钟变慢。1975年到1976年间，马里兰大学的一个研究组用原子钟乘坐飞机进行了测量，发现铯原子钟在两次航程中显示了时间膨胀效应，观察到的效应与理论符合到＋1%。一束介子，半衰期为1.810-8s（可以通过静止介子的测量得到证实），速度为v=0.99c。在S系中，，运动距离，可由实验验证。对同种不稳定粒子，运动的粒子比静止的粒子寿命要长。乘高速飞船远去的宇航员似乎要比静止在地球上的孪生兄弟要年轻。stt8107.12mtvd9.37三、长度收缩效应火车：LcvLtvvl22111地面：tvL动尺变短、长度收缩效应o´z´y´x´voxyz1x2x尺相对于S´系沿x´轴静止放置12xxlS系测得尺的长度：12xxl21111cvvtxx22221cvvtxx12tt令：本征长度：在物体的静止参考系中测得的物体长度。212121cvxxxx21cvll221cvll长度缩短公式：结论：长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了。本征时间和本征长度是具有绝对意义的。时间膨胀和长度收缩这两种效应反映了时空的相对性，“动尺”总是缩短，“动钟”总是变慢；且其缩短比例和时缓比例均绝对地取决于运动速度。时空虽然可变，但相对论并不违背因果性原理。同时闪电时，车正好在山洞里山洞比车短，火车可被闪电击中否？u车头到洞口，出现第一个闪电uu车尾到洞口，出现第二个闪电闪电不同时二、相对论的质速关系02201mcvmm质速关系：mo为静止质量，m为运动质量质量成了一个与惯性系有关的相对物理量。1909年德国物理学家布歇勒从实验上证实了质速关系式。质－速关系反映了物质与运动的不可分割