15.1-相对论的诞生

第15章相对论简介15.1相对论的诞生本节主要内容相对论诞生的历史环境经典的相对性原理，以及它在电磁学领域里遭遇的困惑爱因斯坦在已有知识背景和实验基础上，通过思维的自由创造，大胆提出两条假设：狭义相对性原理和光速不变原理相对论诞生的历史背景19世纪末物理学取得了巨大的成就：牛顿力学热力学统计物理学电磁场理论形成了完整的物理学体系，并被赞誉为：“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”普朗克：“老师，我准备把我的一生都献给理论物理学。”老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展了。将一生献给这门学科，太可惜了。”慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上，著名的物理学家，威廉·汤姆孙，回顾了物理学在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”。量子理论诞生相对论诞生与光速问题有关与黑体辐射有关正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。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。“相对于不同的参考系，经典力学定律的表达形式是否完全相同？”牛顿力学的回答:对于任何惯性参照系，牛顿力学的规律都具有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。那么，同一物理量在不同惯性系中的值有对应关系。该原理意义－一切惯性系都是等价的，没有绝对静止的标准，只能确定两个参照系的相对运动速度。oopooprrrturoo坐标变换:ttzzyytuxx质点P在S坐标系和S/坐标系中的位置矢量关系为：ttzzyytuxx伽利略变换pooroprporoyxzozxyuSSaa加速度变换:速度变换:zzyyxxoopoopvvvvuvvvvv从伽利略变换可得出三条结论：1.同时性是绝对的tt，在S系中同时发生的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的.tt3.时间测量是绝对的先后发生的两个事件时间，在所有惯性系中的测量结果都相同。tLxxL2.长度测量是绝对的两事件的空间间隔，在所有惯性系中的测量结果都相同。x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，一方面是因为牛顿力学在解决力学问题上获得的巨大成功；另一方面是因为它与人们的经验相符。但是19世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现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。二、相对性原理与电磁规律19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学的知识归纳集中于四个方程之中：由麦克斯韦方程组可以直接得出：电磁波的速度等于光速c，并不涉及参考系的问题，这与经典力学的速度合成法则一致吗？m/s100.31800c光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？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在电磁学领域里，相对性原理遇到了麻烦，这个麻烦与光速有关。经典力学的速度合成法则、相对性原理、电磁场理论，三者间出现不和谐。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长期支配的影响，物理学界中多数人认为在绝对空间中充满着以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的以太这一特殊惯性系中成立。于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。通过电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于以太的漂移速度。为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出地球在“以太”中运动的速度。1887年的迈克耳孙——莫雷实验是最著名的一个：它们将一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，然后使它们发生干涉。如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换（旋转干涉仪）时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。他们期待发现，这两束光的传播速度会有所不同，然而不管他们如何努力，精密的实验得到的结果却是两束光的速度没有预计的差别。迈克耳逊寻找以太“大失败”1）迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义：根本没有以太这种东西！迈克耳逊称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。2）但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。3）迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（2）经典力学要作修改。法国数学家兼物理学家庞加莱说：“我们必须建立一种新的力学，对它我们只能够管中窥豹……在这个新力学中，光速是一个不可逾越的极限。”两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的(与光源观察者相对运动没关系)1)第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。不论在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的绝对运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静止的参考系是不存在的。明确几点：2）第二条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明光速与观察者及光源的运动状态无关。3)爱因斯坦理论带来了观念上的变革：牛顿经曲力学理论：狭义相对论：时间、长度、质量的测量均与参照系无关。时间、长度、质量测量的相对性，与参照系有关。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。1．根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论()A．任何力学规律在惯性系中都是相同的B．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C．在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动D．在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动课堂练习AC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。早在1895年(16岁,上中学)时，爱因斯坦提出了一个有趣的追光假想实验：如果他骑在火箭上以光速c前进，追随一条光线运动，看到的光将是怎样的景象？时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得更深一些。－－－爱因斯坦•谢谢！