第12章 狭义相对论基础

力学：1.经典物理学的理论基础220000(,,),ttdrmFrvtdtrrvv初始条件：()rrt——定解问题力学问题：对力的认识：力是物体与物体间的相互作用自然中物体间存在各种相互作用，但就其实质而言，只有四种相互作用：引力相互作用电磁相互作用强相互作用弱相互作用相互作用名称中间媒介强度作用规律力程(m)强相互作用胶子和介子1？(渐近自由)10-15电磁相互作用光子10-2麦克斯韦方程长程弱相互作用中间玻色子10-5?(弱电统一)10-17引力作用引力子？10-38万有引力定律长程四种相互作用TheNobelPrizeinPhysics1979fortheircontributionstothetheoryoftheunifiedweakandelectromagneticinteractionbetweenelementaryparticles,including,interalia,thepredictionoftheweakneutralcurrentSheldonLeeGlashowAbdusSalamStevenWeinbergTheNobelPrizeinPhysics2004DavidJ.GrossH.DavidPolitzerFrankWilczek1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSA(1941)USA(1949)USA(1951)forthediscoveryofasymptoticfreedominthetheoryofthestronginteraction物体之间通过中间媒介产生相互作用，相互作用的传递需要时间，不是超距作用。宏观世界里除了重力来源于万有引力外，其它的力几乎都源于电磁力对牛顿力学的认识：绝对时空观机械决定论不满足相对论协变性高速微观领域失效电磁学：电磁基本理论：麦克斯韦方程组0ddd0ddd()dSVSLSLSDSVBSBElStDHlJSt电磁学研究的基本问题：电磁相互作用基本规律对电磁学的认识：满足相对论协变性解释微观现象失效光学：几何光学：波动光学的近似波动光学：波动理论＋电磁学量子光学：光的量子理论热学：热力学定律：热学基本理论：热力学第零定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第三定律麦克斯韦－玻尔兹曼（M-B）统计玻色－爱因斯坦（B-E）统计玻色－爱因斯坦（B-E）统计系综理论统计理论：热学研究方法：宏观方法——热力学微观方法——统计物理学热力学系统是一个复杂系统个别粒子的运动杂乱无章，但大量粒子运动的集体表现存在着一定的统计规律。对热学的认识揭示实际自然过程的不可逆性揭示有序运动与无序运动的区别力学：牛顿运动三定律和万有引力定律热学：热力学定律与统计理论电学（电磁学和光学）：麦克斯韦方程组──物理学的大厦已经落成。“Thegrandunderlyingprinciples(ofthephysicalworldaroundus)havebeenfirmlyestablished;.....thefuturetruthsofphysicsaretobelookedforinthesixthplaceofdecimals”A.A.Michelson(endof19thcentury)2.经典物理学的危机“Twoclouds”（两朵乌云）onthehorizonof20thcenturyphysics:blackbodyradiation－contradictspredictionsofthermodynamics.Michelson-Morleyexperiment－contradictsNewtonianrelativity.Otherclouds：Photoelectriceffect－couldnotbeexplainedbyelectromagnetictheory.x-raysandradioactivity－seemedoutsidetherealmsofclassicalphysicscompletely.Michelson'singenioustrickWhathappenedtotheether?实验结果是否定的！“我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用，我对此感到十分遗憾。”TheNobelPrizeinPhysics1907AlbertAbrahamMichelsonUSAChicagoUniversityChicago,IL,USAb.1852(inStrelno,thenGermany)d.1931forhisopticalprecisioninstrumentsandthespectroscopicandmetrologicalinvestigationscarriedoutwiththeiraidthediscoveryoftheX-raysThisisoneofthemostfamousimagesinphotographichistoryandpropelledhimwithintwomoreweeksintoaninternationalcelebrity.ThemedicalimplicationswereimmediatelyrealisedandthefirstimagesoffracturedboneswerebeingmadebyJanuary1896eventhoughnoneyetknewwhatthemysteryrayswere.TheNobelPrizeinPhysics1901inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhimWillhelmKonradRotgen(1845---1923)DiscoveryofradioactivityTheNobelPrizeinPhysics1903AntoineHenriBecquerel(1852-1908)PierreCurie(1859-1906)MarieCurie(1867-1934)inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisdiscoveryofspontaneousradioactivityinrecognitionoftheextraordinaryservicestheyhaverenderedbytheirjointresearchesontheradiationphenomenadiscoveredbyProfessorHenriBecquerel物理学晴朗的天空中浮现着几朵乌云。3.近代物理学的的两大理论支柱RelativityQuantummechanics量子物理的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法量子物理在现在技术中的重要应用主要教学内容：1)摆脱经典的束缚注重实验事实2)处理好形象与抽象的关系3)对应关系：学习注意事项：新理论是在原有的理论基础上发展起来的，所以在极限情况下可以回到原有的理论。但量子范围内的很多概念找不到经典的对应，是一个全新的领域。AlbertEinstein（1879—1955）§12-2狭义相对论基本原理与时空的相对性§12-3洛仑兹变换§12-4相对论动力学§12-1基于绝对时空观的力学理论时间：自然的流逝，与物质极其运动无关。空间：物质运动的场所，与物质极其运动无关。1.牛顿的绝对时空观牛顿：“绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与外界事物无关。”牛顿：“绝对的空间就其本质而言与外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。”2.伽利略变换2.1事件与参照系P(,,,)xyztS:P(,,,)xyztS':事件：有明确的地点与时间的一件事：P(x,y,z,t)参照系：不同参照系对同一事件发生的地点和时间的测量结果一般不同。例：Pi(xi,yi,zi,ti)物体的运动可视为一系列事件的集合。2.2伽利略坐标变换sutxxPzzOOxyyxsP(,,,)xyztS:P(,,,)xyztS':xxutyyzzttxxutyyzztt2.3伽利略速度变换xxyyzzuuvuuuu:(,,):SS(,,)xyzxyzuuuuuuxxyyzzuuvuuuu牛顿力学满足伽利略变换下的不变性3.力学相对性原理力学基本定律在所有的惯性参照系中都等效。舟行而不觉或在一个惯性参照系中无法通过任何力学实验来判断一个参照系本身是处于静止状态还是在作匀速直线运动。1.光的速度与迈克尔逊－莫雷实验cms299792458108.(/)问题：c是相对于哪一个参照系的速度？1.1光的速度以太说：宇宙中弥漫着一种无所不在的媒质，万物（包括光）相对于该媒质运动。以太实际上被认为是一种绝对空间。若以太存在，对地球上的观察者来，不同方向的光速应不同。1.2以太说与迈克尔逊-莫雷实验迈克尔逊—莫雷实验：实验结果是否定的！“我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用，我对此感到十分遗憾。”2.2相对性原理：2.1光速不变原理2.狭义相对论的基本原理一切物理定律在所有的惯性系中都等效。——物理定律的数学表达式在所有的惯性系中具有相同的形式。在所有的惯性系中,真空中的光速恒为c，与光源或观察者的运动无关。伽里略变换与光速不变性假设不相符。狭义相对论的基本假设否定了绝对空间的存在。3.1同时的相对性AltcvclttBA0BltcvBAttS'(AB):、静止SA2l0BS(AB):u、以速度运动SAB2lv3.时空的相对性在一个参照系中测得同时发生的两个事件，在另一个参照系中测得未必同时发生，相对论中同时只有相对的意义。结论：02dttc2221124ctdvt0221/ttvc3.2时间量度的相对性S'():钟静止SdMCS():u钟以速度运动Sd/2ut/2ctCMv结论：1）运动的钟变慢：0221/ttvc2）运动参照系中所有物理过程的节奏都变漫了。clt022221/lllltcvcvcvc221/ttvc3.长度量度的相对性2201/llvcS'():尺静止Sl0S():v尺以速度运动Slv结论：1）运动的尺变短：2201/llvc2）运动参照系中所有物体沿运动方向的尺度缩短了。有一对父子，父亲30岁，儿子10岁那年，父亲去作太空旅行，速度为099.c。（1）在地面上的儿子看来，他50岁时，其天上的父亲为几岁（设为x岁）？（2）在天上的父亲看来，他x岁时，其地面上的儿子为几岁?例12-1父与子：解：（1）22'1/ttvc3050103410.99xx（2）22'1/ttvc'103430'10.410.99xx例12-2尽快获知有无外星人的“好办法”：某外星M离地球2万光年（即光从地球传播到该外星需2万年时间），某宇航员以速度u从地球出发驶向该外星。假设宇航员估计自己还能活100年，问：该宇航员是否可能在有生之年抵达外星？若可能，其速度u至少为多大？解：能。以地球为参照系，运动的宇航员的寿命2222'1001/1/ttvcvc为使宇航员在有生之年抵达外星，必须4221002101/ctvvc50.9999912.510cvc作业：13-6、13-91.洛伦兹坐标变换P(,,,)xyztS:P(,,,)xyztS':yyvtx