大学课件-近代物理学-相对论

12“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”第一代开尔文男爵威廉·汤姆森(WilliamThomson,1stBaronKelvin,1824年6月26日－1907年12月17日),即开尔文勋爵3“但是,在物理学晴朗的天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”第一代开尔文男爵威廉·汤姆森(WilliamThomson,1stBaronKelvin,1824年6月26日－1907年12月17日),即开尔文勋爵4迈克尔孙-莫雷实验的“零结果”黑体热辐射理论中的“紫外灾难”相对论量子力学第一章相对论Relativity5提纲1.1狭义相对论的基本原理1.2相对论时空效应1.3洛伦兹变换1.4相对论速度变换1.5相对论动力学基础1.6*广义相对论简介61.1狭义相对论的基本原理7目标了解经典力学遇到的困难,并指出造成这些困难的根源熟知爱因斯坦关于狭义相对论的两个基本假设了解狭义相对论适用的参考系8本节提纲1.1.1伽利略变换与经典时空观1.1.2狭义相对论产生的背景1.1.3狭义相对论的两个基本假设9本节提纲1.1.1伽利略变换与经典时空观1.1.2狭义相对论产生的背景1.1.3狭义相对论的两个基本假设10伽利略相对性原理“把你和几个朋友关在一条大船甲板下的主舱里,再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。舱内放一只大水碗,里面放几条鱼。然后挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐儿里。船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力,你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相等。”11伽利略·伽利莱(GalileoGalilei,1564.2－1642.1),意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家,科学革命中的重要人物。伽利略相对性原理“当你仔细地观察这些事情后,再使船以任何速度前进。只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化,你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。”12伽利略·伽利莱(GalileoGalilei,1564.2－1642.1),意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家,科学革命中的重要人物。事件及参考系事件(Event)：指一个物理现象或物理状态。例如：一次雷击、一次闪光、一质点于某时刻运动到某处、两粒子的一次碰撞、基本粒子的一次产生或湮灭。描述事件需要选择参考系,并在参考系中建立坐标系。需要用到三个空间坐标(x,y,z)一个时间坐标t13(x,y,z,t)事件及参考系选择不同的参考系,对同一事件的描述是不同的。为了简单,只考虑两个相互作匀速直线运动的参考系S和S'——惯性参考系14OOxxyyzz(,,,)(,,,)xyztxyztu在两个相互作匀速直线运动的参考系S和S'中,事件的时空坐标之间有什么关系?绝对时空观绝对时空观时间的流逝在所有参考系中都相同:t=t'空间的距离在所有参考系中也是相同的:l=l'OOxxyyzz(,,,)(,,,)xyztxyztu时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系!15力学相对性原理经典力学认为,所有惯性系都是等价的,即在所有惯性系中,同一力学现象将按同样的形势发生和演变,经典力学的基本方程都具有相同的数学形式。这个结论称为力学相对性原理,或者牛顿相对性原理,又称为伽利略不变性。在力学相对性原理和牛顿绝对时空观这两个基本假定的基础上,可以推导得到伽利略变换16伽利略变换变换:不同参照系对同一运动的描述之间的数学对应关系。初始条件t=t'=0时刻,S与S'重合伽利略变换SyOxOyxSuzzPut),,(zyxP),,(zyxxxutyyzztt17伽利略变换反映了力学相对性原理由伽利略坐标变换不难验证力学相对性原理18vvuaaFmamaF小结牛顿的绝对时空观和力学相对性原理通过伽利略变换联系起来,三者相辅相成、不可分割.由于牛顿力学在讨论几乎所有宏观物体的运动时都是成立的,牛顿力学所包含的绝对时空观也与我们实际生活中对时间和空间的认识符合,因此绝对时间和绝对空间的概念在当时被认为是理所当然的,人们并未对其进行过多的思考。19本节提纲1.1.1伽利略变换与经典时空观1.1.2狭义相对论产生的背景1.1.3狭义相对论的两个基本假设20伽利略变换与经典电磁学的矛盾1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组,它的一个重要推论是存在电磁波。2122220EcEt22220BcBt1001=299792458cms没有指定参考系！电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速！—电磁波的各向同性伽利略变换与经典电磁学的矛盾如果电磁波在某一惯性系S中沿各方向的传播速度为c,则在相对S系速度为v的S'系中在v方向上电磁波的传播速度为c-v,在-v方向上电磁波的传播速度为c+v22经典时空观伽利略变换下,S'系中电磁波的传播速度不再各向同性!电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速!—电磁波的各向同性矛盾以太的解决方案在光学的早期研究中,设想光波象机械波一样,需要在介质中传播,这种介质被称为以太(ether)人们认为存在一个相对于以太静止的绝对参考系(如前所述的S系)。麦克斯韦方程组只在绝对参考系中成立,在这个参考系中电磁波在真空中沿各个方向的传播速度都是c。而在相对于以太运动的惯性系中则一般不等于恒量c。地球在以太中穿行,测量地球相对于以太的绝对运动,自然就成了当时人们首先关心的问题。23验证以太的存在性:迈克尔孙-莫雷实验迈克耳孙—莫雷在1887年利用设计精巧的迈克耳孙干涉仪,在沿着地球运动方向和垂直地球运动方向上所做实验的“零结果”无论怎么改变实验条件(调整角度、改变光波长、在不同时间和地点测量),干射条纹几乎没有移动。241M2M1Gvcvc入射光以太风v1Mccvv实验中将干涉仪绕竖直轴旋转900,干涉仪的两条支路地位互换,滞后的时间差和光程差改变符号,设想结果“应能”引起干涉条纹移动爱因斯坦对迈克尔孙－莫雷实验的评价“还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔孙的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”25爱因斯坦面临的选择面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的矛盾,存在三种选择:相对性原理只适用于力学,不适用于电磁学麦克斯韦电磁理论还不够完善麦克斯韦电磁理论是正确的,相对性原理是适用于力学和电磁学的普遍原理,而伽利略变换必须抛弃26本节提纲1.1.1伽利略变换与经典时空观1.1.2狭义相对论产生的背景1.1.3狭义相对论的两个基本假设27爱因斯坦的《论动体的电动力学》爱因斯坦开始寻找与相对性原理和麦克斯韦电磁理论和谐一致的新的时空变换1905年,爱因斯坦将其研究结果写成《论动体的电动力学》一文,发表在当时的德国《物理年鉴》上,这就是狭义相对论。阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein,1879年3月14日－1955年4月18日),是20世纪犹太裔理论物理学家28狭义相对论的基本假设1.爱因斯坦相对性原理所有的物理规律(包括力学规律)对所有的惯性系都是等价的,不存在任何一个特殊的惯性系(如绝对参考系),所有的物理基本方程在所有的惯性系中都具有相同的数学形式。这个结论称为爱因斯坦相对性原理。这个原理将由洛伦兹变换来保证。29狭义相对论的基本假设2.光速不变原理在任一惯性系中测得的光在真空中的速度都是c,与光源的运动状态无关。1001=299792458cms30光速不变原理的其它证明31同步加速器产生速度为0.99975c的00+沿0运动方向测得的运动速度,与用静止辐射源测得的速度(光速c)极其一致！参考:Phys.Lett.,T.Alvageratal,12(1964)260.结果表明，光速与光源运动无关。32“我尊敬的迈克尔孙博士,您开始工作时,我还是个孩子,只有1米高,正是您将物理学家引向新的道路,通过您精湛的实验工作,铺平了相对论发展的道路,您揭示了光以太的隐患,激发了洛仑兹和菲兹杰诺的思想,狭义相对论正是由此发展而来的。没有您的工作,相对论今天顶多也只是一个有趣的猜想,您的验证使之得到最初的实验基础。”—爱因斯坦“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。”