现代物理学概论第三章.ppt

现代物理学概论,第 三 章 走 近 相 对 论,一、爱因斯坦 爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太小工厂主的家庭里，幼年时性格内向且学习成绩一般。他父母酷爱音乐，这对他产生很大影响，小提琴和数学物理一起，伴随了他的一生。 1905年是爱因斯坦的丰收年。这一年他26岁。 1902年前后爱因斯坦展开了自己的学术生涯。他最初研究毛细现象，然后研究布朗运动、光电效应和时空理论，发表了一系列重要论文。,1905年，除去博士论文外，他还连续完成了4篇重要论文，6月，发表解释光电效应的论文，提出光量子学说；7月，发表布朗运动论文，间接证明了分子的存在；9月，发表题为论运动物体的电动力学提出了相对论（狭义）；11月，发表有关质能关系的论文，指出E=mc2，此关系是制造原子弹的理论基础之一。 在论运动物体的电动力学中，爱因斯坦提出了开天辟地的新思想，抛弃了以太论和牛顿的绝对时空观。,在他提出相对论的划时代论文中，充满了难懂的革命性新思想，却只用了当时本科生就能看懂的数学工具，并没有引用任何参考文献。（很难通过审稿）爱因斯坦很幸运，这篇论文的审稿人是水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克。 1915年，爱因斯坦又发表了广义相对论，提出时空弯曲思想。 相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很难被普通人理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又弄不懂这伟大的内容，人们不禁又想起了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。” 于是一切成为光明。,在看到相对论后，又续写道： 但不久 魔鬼说，“让爱因斯坦去吧”， 于是一切又回到黑暗中。 在物理学界对创造过程感到最快活的，就是彻低挣脱已知事物限制的人。越过已知事物的障碍，深入尚未探索的领域，拥有小孩子一般如实看世界的能力。 悟道不难，维持初心才难！,二、洛仑兹收缩与洛仑兹变换 相对论诞生前夜，物理学碰到的另一个难题。 19世纪下半叶，麦克斯韦导出了电磁场方程。从麦克斯韦方程组得到一个重要结论：电磁波以光速传播。且光速在只有以太的真空中是一个恒定常数。 由伽利略相对性原理，物理规律在一切惯性系中都相同。麦克斯韦方程在所有惯性系中都成立，就是说光速在任何惯性系中都应是C 按照牛顿的观点，所有相对绝对空间相对静止或做匀直运动的参考系都是惯性系，惯性系之间差一个相对运动速度v。 假如A,B都是惯性系，且它们相对速度是v，那么，光的速度若在A中是C，则在B中就应是A+C或A-C。可麦氏理论准确无误地告诉我们：光速只能是C。,到底是什么因素导致以上矛盾？毛病出在哪里？ 当时，以太理论在人们头脑中根深蒂固，虽然物理理论遇到重大问题，而且迈克尔孙实验也暴露出这一深刻矛盾，绝大多数人仍不怀疑以太的存在。 为了保留以太理论，同时克服上述理论和实验上的困难，当时最杰出的电磁学专家洛仑兹等人决定放弃相对性原理。他们想得留麦克斯韦的结论，同时解决迈克尔孙实验与光行差实验的困难。为此他们提出，以太相对绝对空间是静止的，麦氏理论只在相对以太静止的惯性系中成立。光波相对以太的速度是C，相对于运动系的速度不再是C。同时提出一个新效应：相对绝对空间运动的刚尺会在运动方向上产生一个收缩（洛仑兹收缩）。,洛仑兹收缩可以解释为何迈克尔孙实验观不到地球相对以太的运动，是因沿运动方向放置的镜筒发生了洛仑兹收缩，缩短了光程，从而抵消了相对运动带来的光程变化。 他们进而认为，洛仑兹收缩是物理的，会引起收缩物体内部物理结构的变化。并根据这理论，放弃了体现相对性原理的伽利略变换公式，导出了新的洛仑兹变换公式。 洛仑兹变换的好处是，第一，可导出刚尺收缩公式；第二可保持麦克斯韦方程组在洛仑兹变换下形式不变。,三、突破绝对时空观-相对论诞生 归纳一下前面所述的困难： 光行差问题-说明以太相对地球有漂移，似乎存在绝对静止的以太。 迈克尔孙实验-没有测到这种漂移。说明要么以太不存在，要么地球和以太相对静止（地心说）。 麦克斯韦理论和咖利略变换的矛盾。 其实，以上困难可以归纳为两个疑难： 一个是光速是否恒定？ 一个是不论在物理还是在哲学上，我们都不能确定所谓移动或不移动是什么意思。,面对这两大疑难，只有爱因斯坦用“初心”来看，看到的结果就是狭义相对论。 爱因斯坦的第一个专业行动就是大声说：“国王什么衣服都没穿！”他的言外之意就是，“以太不存在”。狭义相对论的第一个信息是，既然以太检测不到，而且也没什么用处，我们就没什么理由再找它。 首先，以迈克尔孙实验为最，我们每一次检测以太的努力都彻底失败。其次，以太之所以没用，是因为如果光的传导可以看的是以太介质的振动，那么同也可以看做是能量在真空中的传导。爱因斯坦清楚地说：“电磁场，并不是一种介质（以太）的状态，也不隶属于什么承载者。电磁场是独立的实体，无法再化约成任何东西”,由于爱因斯坦看不到国王的新衣而产生的第二个受害者是绝对空间（绝对静止）。因为，我们凭什么由于说一个参照系绝对不运动，就使它比其它参考系“优先”？我们先在理论结构里设置这么一个特例，而我们的经验体系里却又没有一个实体与之对应，这是令人“不可忍受的”。 爱因斯坦一举推倒了两块物理学与哲学的大积木（以太与绝对非运动），下一步就是耍面对光速的问题。不管观测者运动状态如何