3.1 狭义相对论的建立

大学物理Ⅱ80学时教材：大学物理教程陈信义第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立3.2络伦兹变换3.3时间延缓和长度收缩3.4相对论速度变换3.5相对论动力学基础*3.6广义相对论简介二绝对时空观和伽利略变换一时空变换三狭义相对论的基本假设3.1狭义相对论的建立第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立到19世纪末，经典物理学的发展已经相当成熟，“往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已”。但这时看似晴朗的物理学的天空却出现了“两朵乌云”。相对论和量子力学是近代物理学的两个基础理论，它们深刻改变人们对物质世界的认识。第一朵乌云：测量地球相对“以太”运动的否定结果与存在绝对静止的“以太”参考系相矛盾。第二朵乌云：黑体辐射规律与能量均分定理相矛盾。这导致相对论和量子力学的诞生。第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立1879–1955AlbertEinstein第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立时间和空间，简称时空。物质的运动与时空的性质紧密相关，因此对时空性质的研究一直是物理学中的一个基本问题。物理学对时空的认识可以分为三个阶段：牛顿力学阶段、狭义相对论阶段和广义相对论阶段。狭义相对论是惯性系中的时空的理论，不能处理涉及引力的问题。广义相对论则把相对论推广到任意参考系，是关于时空和引力的理论。一时空变换第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立设有一列火车在地面上作匀速直线运动，还有两个结构完全相同的钟和两把完全相同的尺。在同一参考系中，这两个钟走得一样快，这两把尺的长度严格相等。现把其中的一个钟和一把尺放在火车上（动钟、动尺），另一个钟和另一把尺留在地面（静钟、静尺），并让这两把尺都沿着火车运动的方向放置。这实际上是时间和空间在两个惯性系之间的变换问题。问动钟和静钟哪个走得快？动尺和静尺哪个更长？第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立事件：具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象在讨论时空性质时，我们关心的是时空坐标或时空点，而不必再去关心引入时空概念的事件。例如：一个闪光在某一时刻t，到达某一地点（x,y,z）就是一个事件，其时空坐标是（x,y,z,t）一个事件发生的时间和地点，称为该事件的时空坐标或时空点。第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立时空坐标代表时间和长度的测量值，则时空变换反映了时间和空间与参考系选择的关系。时空变换：同一事件P在两个惯性系中时空坐标（）和（）间的变换关系。tzyx,,,tzyx,,,如何表示时间？时间零点的定义0tt第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”——苏轼《题西林壁》人类面对事物“相对性”的不同态度：（1）只承认自己看到的是真的，根本否认还有其它的可能性.（2）“公说公有理，婆说婆有理。”哲学上的“相对主义”的派别.（3）超越从个别角度（物理学里的参考系）认识问题的局限性，寻求不同参考系之间的变换关系，以及变换过程中那些不变性.不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无关的客观规律.第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。”——爱因斯坦自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘.——现代物理方法论精髓第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立问：相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是完全一样的吗？二绝对时空观和伽利略变换回答第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立当时0'tt'oo与重合txxv'yy'zz'tt'位置坐标变换公式经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关.x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yy1212xxxx1伽利略变换式第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立zzaa'yyaa'xxaa'加速度变换公式'aaamF'amFvxxuu'yyuu'zzuu'伽利略速度变换公式在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式.x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yyvuu第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立2经典力学的相对性原理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.牛顿力学的回答:x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yy问：相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是完全一样的吗？第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立问：相对于不同的参考系,长度和时间的测量结果是一样的吗?绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.3经典力学的绝对时空观注意牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的.绝对时间:所有惯性系有统一的时间.绝对空间：空间与运动无关，空间是绝对静止的.第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立“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,与任何外界无关.”“绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动,并且永远不变.”牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理实践已证明,绝对时空观是不正确的.第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？即：电磁学规律是否满足相对性原理：三狭义相对论的基本假设回答第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立真空中的光速m/s10998.21800c对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？?vcc'x'xy'yvo'oz'z'ssc1光速依赖于惯性参考系的选取吗？按照伽利略变化：在不同的参考系中光速不同！！按照Maxwell方程理论，光速应该与参考系的选取无关！第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立2矛盾显现电磁学规律遵循最基本的Maxwell方程组光的速度c是Maxwell方程组中的系数，与参考系无关按照伽利略变化：在不同的参考系中光速c不同！！按照伽利略变化：Maxwell方程组在不同的参考系中具有不同的数学表达形式按照伽利略变化：电磁学规律不满足相对性原理！！第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立3矛盾的三种解释第一种解释：伽利略变换正确，电磁学规律遵循相对性原理，Maxwell方程组在不同的参考系中应该具有相同的数学形式现今已知的Maxwell方程形式是错误的！第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立3矛盾的三种解释第二种解释：伽利略变换正确，现今已知的Maxwell方程组是正确的电磁学规律确实不满足相对性原理！！电磁学规律在不同的惯性系中具有不同的数学形式，在不同的惯性系中观察同一个电磁现象，结论是不同的，光在不同的惯性系中传播速度不同，自然界中所有的惯性参考系对于电磁规律彼此是不平等的。第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立电磁学规律在不同的惯性系中具有不同的数学形式，在不同的惯性系中观察同一个电磁现象，结论是不同的，光在不同的惯性系中传播速度不同，自然界中所有的惯性参考系对于电磁规律彼此是不平等的。存在一个特别优越的惯性惯性参考系，只有在这个参考系中人们观察光的传播速度是我们所熟悉的：3×108m/s，这个特别优越的参考系被称为“绝对参考系”——“以太”物理学家们开始了漫长的寻找“以太”的工作第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立迈克尔孙—莫雷实验为了测量地球相对于“以太”的运动,1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量,没有结果.1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果,即未观测到地球相对“以太”的运动.人们为维护“以太”观念作了种种努力，提出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验事实相矛盾，最后均以失败告终.实验结果未观察到地球相对于“以太”的运动.0N仪器可测量精度01.0N4.0N理论预测第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立球投出前cdcdt121ttvcdt2结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后vcv如果光在不同的参考系中传播速度不同：第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元1054年~1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见.km/s1500v物质飞散速度l=5000光年cvcAB当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立实际持续时间约为22个月,这怎么解释?年25ABttt理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度ABvcltAA点光线到达地球所需时间cltBB点光线到达地球所需时间第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立3矛盾的三种解释第三种解释：现今已知的Maxwell方程组是正确的，电磁学规律满足相对性原理，在一切惯性系中光的传播速度全都相同伽利略坐标变换是错误的！！第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立4狭义相对论的两个基本假设爱因斯坦相对性原理对于描述物理定律（包括力学定律）来说，所有的惯性参考系都是平等的，不存在特殊的绝对惯性系。光速不变原理在所有惯性系中，光在真空中的传播速率都等于c。或者说，无论光源和观察者如何运动，观察者测得的光速都等于c。