13狭义相对论的历史背景

上页下页结束返回第十二章相对论简介相对论的创始人:Albert·Einstein（阿尔伯特·爱因斯坦）1905年，狭义相对论（SpecialTheoryofRelativity）1916年，广义相对论(GeneralTheoryofRelativity)上页下页结束返回第十二章相对论简介爱因斯坦的主要科学成就：此外，他对布朗运动的研究（1905）曾为分子运动论的最后胜利作出了贡献。他还开创了现代宇宙学，他努力探索的统一场论的思想指出了现代物理学发展的一个重要方向。3.建立了广义相对论他在1915年建立了广义相对论。它揭示了空间、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，也为现代天体物理学和宇宙学的发展打下了重要的基础。2.发展了量子理论他在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，提出了光的量子论。就是由于这篇论文的观点使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。以后他又陆续发表文章提出受激辐射理论和发展了量子统计理论。1.创立了狭义相对论他在1905年发表了题为《论动体的电动力学》的论文，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。同年又提出了质能相当性，在理论上为原子能时代开辟了道路。上页下页结束返回第十二章相对论简介1900年英国物理学家开尔文展望20世纪科学：----黑体热辐射实验----迈克耳逊-莫雷实验“但是，在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”量子论相对论相对论产生背景上页下页结束返回第十二章相对论简介任何惯性系都遵从同样的力学规律,都是等价的船走吗?舟行而不觉也---西汉《尚书纬•考灵曜》伽利略相对性原理上页下页结束返回第十二章相对论简介经典力学的相对性原理自由粒子在其中作匀速运动的坐标系称为惯性系。经典力学中的一个基本原理也就是伽利略相对性原理。为精确地研究物质在空间和时间中的运动过程，我们从物质运动中抽象出“事件”的概念。在无限小的空间元中无限短瞬间内发生的物质运动过程叫做一个事件。运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系时，运动定律的形式保持不变。一切作机械运动的惯性系是等价的。在牛顿力学中，认为空间距离和时间间隔是绝对的,与参考系无关。这种认为也称绝对时空观。上页下页结束返回第十二章相对论简介物质运动可看作是一连串事件在时空中的发展过程，在一个参考系中，总是用一定的时间t和空间(x,y,z)来描述一个事件。tttta)时间是绝对的两个事件在系中的时间间隔和在∑系（相对于∑的运动速度为v）中的时间间隔相同，即在牛顿绝对时空观中要求：0t0t如果两事件在∑系中是同时的（），则系中也是同时的（），同时性是绝对的。上页下页结束返回第十二章相对论简介222222zyxzyxb)长度是绝对的在给定时刻，两个质点∑系中的距离和它在系中的距离相同，即这就是说，假设宇宙中各处存在着一个跟参考系的选择无关的、不受物质运动过程影响的、统一的普适时间，时间与空间没有任何联系；不论有无任何其他客体，绝对的、真实的时间本身，永远无条件的、均匀地流逝着。这就是说，假设长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系选择无关；物质的广延性不受其运动状态的影响。上页下页结束返回第十二章相对论简介P(x,y,z,t,x’,y’,z’,t’)x,x’0’0zz’y∑y’∑’vrr0ttv伽利略变换如果两个惯性系和∑的坐标轴彼此平行，在时，两坐标系的原点重合，并且系相对于∑系的(匀速)沿x轴方向运动。上页下页结束返回第十二章相对论简介ttzzyytvxxttzzyyvtxx或者根据经典时空观，得到设在P点站着一人，按了一个闪光灯，在∑系中观察者看来，按灯的这个现象发生于t时刻、（x,y,z）点；在系中观察者看来，按灯这个现象发生于t’时刻、（x’,y’,z’）点；这两组数（x,y,z,t）与（x’,y’,z’,t’）之间的关系是与时空观有关的。P(x,y,z,t,x’,y’,z’,t’)x,x’0’0zz’y∑y’∑’vrr上页下页结束返回第十二章相对论简介tttvrr写成矢量形式为：这就是伽利略变换，它集中反映了牛顿的绝对时空观。vdtrdtddtvtdrdtdtvrdtdrd)(根据伽利略变换，可得事件的速度变换：vuu即上页下页结束返回第十二章相对论简介udtdmvutddmutddm)(说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基本方程保持形式不变。在牛顿力学中，认为物体的质量和它的速度无关，于是可得：FFdtrdmFtdrdmF,2222即上页下页结束返回第十二章相对论简介§12.1狭义相对论的历史背景§12.1.1麦克斯韦方程建立引起的问题§12.1.2菲索与迈克耳孙—莫雷实验§12.1.3关于相对性原理的思考第十二章相对论简介上页下页结束返回第十二章相对论简介§12.1狭义相对论的历史背景§12.1.1麦克斯韦方程建立引起的问题第十二章相对论简介机械波的传播介质是弹性连续介质.电磁波的传播介质？——以太(Aether)1865年麦克斯韦预言了电磁波的存在.麦克斯韦方程不具备伽利略变换的不变性.以太是否存在？上页下页结束返回第十二章相对论简介§12.1.2菲索与迈克耳孙——莫雷实验1.菲索实验（流水对光速影响实验）BMSBOIMMv由经典理论,由B处分成的两束光回至B处时间差为kvnckvnclt)/(1)/(12Δ上页下页结束返回第十二章相对论简介水速vc22/4Δclkvntk为曳引系数,0k1菲索实验认为以太被部分拖动.对于空气可认为不被曳引.2.迈克孙—莫雷实验设计初想:测出地球相对于以太的运动速度.基本原理：光相对绝对参照系c,光相对运动系(地球)c,运动系(地)相对绝对系v,vcc(可测)(已知)(推知)利用干涉条纹移动测c.上页下页结束返回第十二章相对论简介地球相对以太的速度（公转速度）vM1M2*STG干涉条纹vclvclt1)/11(222cvcl)1(222cvcl光沿①(GM2)往返一次的时间为上页下页结束返回第十二章相对论简介上页下页结束返回第十二章相对论简介22222222vclvclvclt)21(222cvcl往2cvc返2cvc1llGT22vcc-vc+v22vc2v21M1M2光沿②往返一次的时间为21Δttt22cvcl上页下页结束返回第十二章相对论简介将干涉仪转90，得222Δ2cvclt实验结果：无条纹的移动.时间差的改变，对应光程差的改变，从而引起干涉条纹的移动.迈克耳孙－莫雷实验否定了“以太”的存在.上页下页结束返回第十二章相对论简介§12.1.3关于相对性原理的思考经典力学是建立在绝对时空观的基之上.爱因斯坦建立了相对论时空观.上页下页结束返回第十二章相对论简介