伽利略变换和经典力学时空观

第三章第三章第三章第三章相对论相对论相对论相对论§§3.13.13.13.13.13.13.13.1伽利略变换和经典力学时空观伽利略变换和经典力学时空观§§3.23.23.23.23.23.23.23.2狭义相对论产生的实验基础和历史条件狭义相对论产生的实验基础和历史条件§§3.33.33.33.33.33.33.33.3狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理洛伦兹变换洛伦兹变换§§3.43.43.43.43.43.43.43.4狭义相对论时空观狭义相对论时空观§§3.53.53.53.53.53.53.53.5狭义相对论动力学狭义相对论动力学呛口小辣椒博客呛口小辣椒博客爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦::::EinsteinEinsteinEinsteinEinstein现代时空的创始人现代时空的创始人现代时空的创始人现代时空的创始人二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼3.13.13.13.1伽利略变换和经典力学时空观一、一、一、一、伽利略变换伽利略变换伽利略变换伽利略变换ooooyyyyxxxxzzzzoooo′′′′yyyy′′′′xxxx′′′′zzzz′′′′SSSSSSSS′′′′uuuu�iPPPPxxxxxxxx′′′′ututututttttttttzzzzzzzzyyyyyyyyututututxxxxxxxx====′′′′====′′′′====′′′′−−−−====′′′′伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观同时性的绝对性同时性的绝对性同时性的绝对性同时性的绝对性时间间隔测量的绝对性时间间隔测量的绝对性时间间隔测量的绝对性时间间隔测量的绝对性长度测量的绝对性长度测量的绝对性长度测量的绝对性长度测量的绝对性3.13.13.13.1伽利略变换和经典力学时空观一、一、一、一、伽利略变换伽利略变换伽利略变换伽利略变换ooooyyyyxxxxzzzzoooo′′′′yyyy′′′′xxxx′′′′zzzz′′′′SSSSSSSS′′′′uuuu�iPPPPxxxxxxxx′′′′ututututttttttttzzzzzzzzyyyyyyyyututututxxxxxxxx====′′′′====′′′′====′′′′−−−−====′′′′伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观伽利略变换蕴含的时空观总之，在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系总之，在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系总之，在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系总之，在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系的运动状态无关，时间与空间亦不相联系。这是经典力学时空的运动状态无关，时间与空间亦不相联系。这是经典力学时空的运动状态无关，时间与空间亦不相联系。这是经典力学时空的运动状态无关，时间与空间亦不相联系。这是经典力学时空观的特点。相对论时空观认为，时空相关且与物质和运动相观的特点。相对论时空观认为，时空相关且与物质和运动相观的特点。相对论时空观认为，时空相关且与物质和运动相观的特点。相对论时空观认为，时空相关且与物质和运动相关，故从相对论时空观来看，称经典力学的时空观属于绝对时关，故从相对论时空观来看，称经典力学的时空观属于绝对时关，故从相对论时空观来看，称经典力学的时空观属于绝对时关，故从相对论时空观来看，称经典力学的时空观属于绝对时空观的范畴。空观的范畴。空观的范畴。空观的范畴。ttttttttzzzzzzzzyyyyyyyyututututxxxxxxxx====′′′′====′′′′====′′′′−−−−====′′′′xxxxxxxxyyyyyyyyzzzzzzzzvvuvvuvvuvvuvvvvvvvvvvvvvvvv′′′′=−=−=−=−′′′′====′′′′====xxxxxxxxyyyyyyyyzzzzzzzzaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa′′′′====′′′′====′′′′====即即即即加速度对伽利略变换保持不变加速度对伽利略变换保持不变加速度对伽利略变换保持不变加速度对伽利略变换保持不变；或者说，；或者说，；或者说，；或者说，在所有惯性系中，加速度为一不变量在所有惯性系中，加速度为一不变量在所有惯性系中，加速度为一不变量在所有惯性系中，加速度为一不变量。。。。二、二、二、二、伽利略变换相对性原理伽利略变换相对性原理伽利略变换相对性原理伽利略变换相对性原理一切惯性系中，对力学规律的描述是完全相同的一切惯性系中，对力学规律的描述是完全相同的一切惯性系中，对力学规律的描述是完全相同的一切惯性系中，对力学规律的描述是完全相同的。。。。或者说或者说或者说或者说力学规律对一切惯性系都是等价的力学规律对一切惯性系都是等价的力学规律对一切惯性系都是等价的力学规律对一切惯性系都是等价的。。。。3.23.23.23.2狭义相对论产生的实验基础和历史条件测量以太风测量以太风测量以太风测量以太风零结果零结果零结果零结果1111、伽利略变换的困难、伽利略变换的困难、伽利略变换的困难、伽利略变换的困难电磁场理论给出的光在真空中的速率电磁场理论给出的光在真空中的速率电磁场理论给出的光在真空中的速率电磁场理论给出的光在真空中的速率麦克斯韦方程组不服从伽利略变换麦克斯韦方程组不服从伽利略变换麦克斯韦方程组不服从伽利略变换麦克斯韦方程组不服从伽利略变换000000001111ccccεµεµεµεµ====高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子2222、迈克耳孙、迈克耳孙、迈克耳孙、迈克耳孙----莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验3333、解释天文现象的困难、解释天文现象的困难、解释天文现象的困难、解释天文现象的困难夜空的金牛座上的夜空的金牛座上的夜空的金牛座上的夜空的金牛座上的““““蟹状星云蟹状星云蟹状星云蟹状星云””””，是，是，是，是900900900900多年前一次多年前一次多年前一次多年前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。超新星爆发中抛出来的气体壳层。超新星爆发中抛出来的气体壳层。超新星爆发中抛出来的气体壳层。+cucAAAABBBBllllAltcu=+Bltc=51500lukm/s==千光年抛射速度结论：结论：结论：结论：在在在在25252525年持续看到超新星爆发时发出的强光。年持续看到超新星爆发时发出的强光。年持续看到超新星爆发时发出的强光。年持续看到超新星爆发时发出的强光。史书记载：史书记载：史书记载：史书记载：强光从出现到隐没还不到两年。强光从出现到隐没还不到两年。强光从出现到隐没还不到两年。强光从出现到隐没还不到两年。矛盾矛盾3.33.33.33.3狭义相对论基本原理洛仑兹变换一、一、一、一、狭义相对论的两条基本原理狭义相对论的两条基本原理狭义相对论的两条基本原理狭义相对论的两条基本原理1.1.1.1.相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理所有物理规律在一切惯性系中都具有形式相同。所有物理规律在一切惯性系中都具有形式相同。所有物理规律在一切惯性系中都具有形式相同。所有物理规律在一切惯性系中都具有形式相同。（所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规律（所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规律（所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规律（所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规律都一样）都一样）都一样）都一样）2.2.2.2.光速不变原理光速不变原理光速不变原理光速不变原理在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为cccc，与光，与光，与光，与光源的运动状态无关。源的运动状态无关。源的运动状态无关。源的运动状态无关。2222、、、、光速不变与伽利略变换光速不变与伽利略变换光速不变与伽利略变换光速不变与伽利略变换与伽利略的速度叠加原理针锋相对与伽利略的速度叠加原理针锋相对与伽利略的速度叠加原理针锋相对与伽利略的速度叠加原理针锋相对3333、、、、观念上的变革观念上的变革观念上的变革观念上的变革牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学时间标度时间标度时间标度时间标度长度标度长度标度长度标度长度标度质量的测量质量的测量质量的测量质量的测量与参考系无关与参考系无关与参考系无关与参考系无关速度与参考系有关速度与参考系有关速度与参考系有关速度与参考系有关((((相对性相对性相对性相对性))))狭义相对论狭义相对论狭义相对论狭义相对论力学力学力学力学长度、时间、质量与长度、时间、质量与长度、时间、质量与长度、时间、质量与参考系有关参考系有关参考系有关参考系有关((((相对性相对性相对性相对性))))光速不变光速不变光速不变光速不变1111、、、、EinsteinEinsteinEinsteinEinstein的相对性理论是的相对性理论是的相对性理论是的相对性理论是NewtonNewtonNewtonNewton理论的发展。理论的发展。理论的发展。理论的发展。讨论讨论讨论讨论一切物一切物一切物一切物理规律理规律理规律理规律力学力学力学力学规律规律规律规律二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式时空变换关系时空变换关系时空变换关系时空变换关系SSSSSSSS′′′′→→→→正变换正变换正变换正变换2222222222221111111111111111ccccuuuu−−−−====−−−−====ββββγγγγ其中(((())))ututututxxxxxxxx−−−−====′′′′γγγγzzzzzzzz====′′′′yyyyyyyy====′′′′))))((((2222xxxxccccuuuutttttttt−−−−====′′′′γγγγooooyyyyxxxxzzzzoooo′′′′yyyy′′′′xxxx′′′′zzzz′′′′SSSSSSSS′′′′uuuu�iPPPPxxxxxxxx′′′′utututut(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)xyztxyztxyztxyztxyztxyztxyztxyzt′′′′′′′′′′′′′′′′二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式时空变换关系时空变换关系时空变换关系时空变换关系SSSSSSSS′′′′→→→→正变换正变换正变换正变换2222222222221111111111111111ccccuuuu−−−−====−−−−====ββββγγγγ其中(((())))ututututxxxxxxxx−−−−====′′′′γγγγzzzzzzzz====′′′′yyyyyyyy====′′′′))))((((2222xxxxccccuuuutttttttt−−−−====′′′′γγγγSSSSSSSS→→→→′′′′(((())))ttttuuuuxxxxxxxx′′′′++++′′′′====γγγγzzzzzzzz′′′′====yyyyyyyy′′′′====))))((((2222xxxxccccuuuutttttttt′′′′++++′′′′====γγγγ逆变换逆变换逆变换逆变换0000====′′′′====tttttttt::::系SSSS(((())))ttttzzzzyyyyxxxxPPPP,,,,,,,,,,,,::::系SSSS′′′′(((())))ttttzzzzyyyyxxxxPPPP′′′′′′′′′′′′′′′′,,,,,,,,,,,,※三、洛仑兹变换式的推导三、洛仑兹变换