相对论演讲稿.ppt

列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家 爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的 他的科学业绩主要包括四个方面 早期对布朗运动的研究 狭义相对论的创建 推动量子力学的发展 建立了广义相对论 1905年创建的狭义相对论和1916年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果 而1921年的诺贝尔物理学奖则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的 爱因斯坦 A Einstein 相对论给出了高速运动物体的力学规律 并从根本上改变了许多世纪以来所形成的有关时间 空间和运动的陈旧概念 建立了新的时空观 揭露了质量和能量的内在联系 开始了万有引力本质的探索 现在 相对论已经成为现代物理学以及现代工程技术不可缺少的理论基础 近代物理学 相对论 量子力学 1900年 1930年 揭示了微观世界的基本规律 使人们对自然界的认识产生了一个飞跃 为原子物理 固体物理和粒子物理学的发展奠定了理论基础 长度 时间 质量与参考系有关 同时 是相对的 运动时钟变慢 运动的尺变短 质量与速度有关 质量与能量不可分 现代科学技术的两块理论基石 奇妙 的现象 建筑学馆 第五章相对论基础Fundamentalsofrelativity 力学相对性原理mechanicsrelativityprinciple经典力学时空观space timeviewofclassicalmechanics狭义相对论的基本假设postulatesofspecialrelativity洛仑兹坐标变换Lorentzcoordinatetransformations同时的相对性relativityofsimultaneity狭义相对论的时空观space timeviewofspecialrelativity相对论的动力学基础dynamicsfoundationofspecialrelativity 一 力学相对性原理 伽利略Galileo相对性原理 在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中 物体运动所遵循的力学规律是完全相同的 具有完全相同的数学表达式 即在研究力学规律时 一切惯性系是等价的 5 1力学相对性原理relativityprincipleofmechanics经典力学时空观space timeviewofclassicalmechanics 在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯性系是静止的还是作匀速直线运动的 因此要确切知道某一惯性系本身是否 绝对静止 则用任何力学实验都不可能办到 惯性系inertiasystem 牛顿定律成立的参考系 叫惯性参考系 简称惯性系 循环定义 一个远离其他一切物体 而且没有自转的物体是惯性参照系 一切相对于该物体做匀速直线运动的参照系也是惯性参照系 牛顿定律就是在这样的参照系中成立 你跳向船尾也不会比跳向船头来得远 虽然你跳在空中时 脚下的船底板向着你跳的反方向移动 你把不论什么东西扔给你的同伴时 如果你的同伴在船头而你在船尾 你所用的力并不比你们两个站在相反位置时所用的力更大 水滴将象先前一样 滴进下面的罐子 一滴也不会滴向船尾 虽然水滴在空中时 船已行驶了相当距离 只要运动是匀速的 你就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 伽利略实验 二 伽利略变换 Galileantransformation 1 坐标系的建立 在两个惯性系中考察同一物理事件 设惯性系相对惯性系S以速度u作匀速直线运动 当时两坐标系的原点O与相重合 2 实际观测 t时刻在P点发生任一事件 伽利略变换 Galileantransformation x y z t 逆变换 正变换 3 速度变换与加速度变换 在两个不同的惯性系中 自不同的惯性系 所观测到的同一质点运动的加速度是相同的 即物体的加速度具有伽利略变换下的不变性 三 牛顿定律具有伽利略变换不变性 牛顿力学规律 包括动量守恒定律 机械能守恒定律等 在伽利略变换下形式不变 结论 在牛顿力学中 质量与运动无关 力与参考系无关 四 经典力学的时空观 1 事件所经历的时间与参照系的选择无关 无论从哪个惯性系进行观测事件所经历的时间间隔都相同 2 空间两点间的距离与参照系的选择无关 无论从哪个惯性系进行观测两点间的距离都相同 3 经典力学的绝对时空观 在狭义相对论建立之前 科学家们普遍认为 时间和空间都是绝对的 可以脱离物质运动而存在 并且时间与空间没有任何联系 牛顿说 绝对的 真正的和数学的时间自身在流浙着 而且由于其本性 在均匀地 与任何其他外界事物无关地流浙着 绝对空间就其本质而言 是与任何外界事物无关 而且是永远相同和不动的 绝对时空观absolutespace timeview 显然 绝对时空观符合人们日常的经验和习惯 5 2狭义相对论的基本原理postulateofspecialrelativity洛伦兹坐标变换Lorentzcoordinatetransformations 不同惯性系中电磁规律是否相同 如果不同 则必然导致各惯性系不等价 应存在一个特殊的惯性系 以太 没找到 如果相同 则坐标变换后方程组的形式应保持不变 两种可能 伽利略变换是正确的 麦克斯韦方程组必予以修正 麦克斯韦方程组是正确的 伽利略变换必予以修正 一 伽利略变换的困难 1 19世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c是常量 伽利略变换 以u速度运动光源发出的光速不再是c 2 Maxwell方程组对伽利略变换非协变 通过电磁实验可以找到 绝对参照系 迈克耳逊 莫雷实验的 零 结果 物理学界大为震惊 实验结果与伽利略变换乃至整个经典力学不相容 为了在绝对时空观的基础上统一说明这些实验结果 洛伦兹等人提出各种假设 但都没有成功 1905年26岁的爱因斯坦 不固守传统的时空观 和经典力学的观念 在对实验结果和前人工作进行仔细分析和研究的基础上 另辟蹊径 从一个全新的角度考虑所有问题 提出两个基本假设 二 爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设Einstein stwobasicpostulatesofspecialrelativity 1 狭义相对论的相对性原理在任何惯性系中 一切物理规律都相同 即具有相同的数学表达式 或 所有惯性系对于描述物理现象都是等价的 2 光速不变原理光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 即在彼此作匀速直线运动的任一惯性系中 所测得的光在真空中沿各个方向的速率是相等的 无须寻找特殊的惯性系 也无法寻找 1 Einstein的相对性原理是Newton理论的发展 一切物理规律 力学规律 2 光速不变原理与伽利略的速度相加原理针锋相对 否定了伽利略坐标变换 动摇了绝对时空观和经典力学体系 观念上的变革 牛顿力学 与参考系无关 狭义相对论力学 长度时间质量与参考系有关 相对性 3 尊重事实 实践是检验真理的标准光速不变是在实验基础上提出的 并不断被实验证实 牛顿力学定律是经过长期实践检验的 它应是新坐标变换式和新的力学规律在一定条件下的近似 4 创新就要勇于摒弃原有的东西 三 洛仑兹变换Lorentztransformation 爱因斯坦根据两个基本假设 建立了新的坐标变换公式 洛仑兹变换式洛伦兹为弥补经典理论的缺陷提出 但他不具有相对论思想 爱因斯坦是给予正确解释第一人 当时两坐标系的原点O与相重合 逆变换 正变换 洛仑兹变换 Lorentztransformation 正变换 逆变换 当v c时 v c 0 可得 正变换 逆变换 伽利略变换 令 则 例5 1在K系中观察到两个事件发生在空间同一地点 第二事件发生在第一事件以后2s 在另一相对K系运动的K 系中观察到第二事件是在第一事件事件3s之后发生的 求在K 系中这两个事件的空间间隔 解 正变换 例5 2乙乘飞行器相对甲沿x轴作匀速直线运动 甲测得两个事件的时空坐标为x1 6 104m y1 z1 0 t1 2 10 4s x2 12 104m y2 z2 0 t2 1 10 4s 如果乙测得这两个事件同时发生于t 时刻 求 1乙对于甲的运动速度是多少 2乙所测得的两个事件的空间间隔是多少 乙所测得这两个事件的时间间隔是 解 1设乙对甲的运动速度为v 由洛仑兹变换 2由洛仑兹变换 乙所测得的这两个事件的空间间隔 设一质点P在空间的运动 由速度的定义 从S和系来看 其速度分别是 5 3相对论速度变换公式Velocitytransformofrelativity 同样可得 洛仑兹速度变换式 逆变换 正变换 例5 3设想一飞船以0 80c的速度在地球上空飞行 如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体 物体相对飞船速度为0 90c 求 从地面上看 物体速度多大 解 由洛伦兹变换 两个事件在不同惯性系中的时间与空间间隔的变换关系为 两个事件中的时间间隔和空间间隔在不同惯性系中观测 所得结果一般并不相同 空间间隔 时间间隔 S系 系 一 同时的相对性 5 4狭义相对论时空观space timeviewofspecialrelativity 1 同时不同地 2 同时同地 设在惯性系S中 不同地点x1和x2同时发生两个事件 3 有因果关系的事件 关连事件 时间次序不会颠倒 u为质点相对于S系的速度 u c v c t 必与 t同号 在某个惯性系中同时发生的两个事件 在另一相对它运动的惯性系中 并不一定同时发生 同时的相对性 例如 在某处先发射一枚导弹 后击中目标 否则会违背因果关系 也与相对性原理相矛盾 二 时间的膨胀timedilation 运动时钟变慢 在相对于S以速度v运动的惯性系S 中的时间间隔 时间膨胀 在某一参考系中 同一地点先后发生的两个事件的时间间隔 固有时 原时 0 例5 4设想有一光子火箭以v 0 95c的速率相对地球作直线运动 若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min 则地球上的观察者测得此事用去了多少时间 即地球上的计时器记录宇航员观测星云用去了32 01min 似乎是运动的钟走得慢了 解 由下式可得 例5 5 介子静止时平均寿命 衰变为子与中微子 若使用高能加速器把 介子加速到 求 介子平均一生最长行程 解 按经典理论 实验室测得 相对论考虑时间膨胀 为原时 运动的 介子平均寿命 可得 三 长度收缩lengthcontraction 动尺变短 1 原长 固有长度 棒静止时测得它的长度 设棒静止在系中固有长度 同时测量 不要求同时测 事件1 测棒的左端 事件2 测棒的右端 测得长度 2 当S 以速度v相对S系运动 棒沿运动方向放置 S 系测得棒的长度为l 由洛仑兹变换 这一现象称为物体沿运动方向的 长度收缩效应 所以垂直于运动方向 v方向 的长度是不变的 1 只沿运动方向有 长度收缩效应 2 仅当v与c可以比拟时此二效应才明显 在低速下 伽利略变换 3 时钟变慢 和 长度收缩 都是相对论效应 并不是事物内部机制或钟的内部结构有什么变化 不能归之于某种物理的 化学的或其他什么原因 时钟变慢 意味着一切时钟 一切物理过程 化学过程甚至生命过程都必须按同一因子变慢 否则就可以依据这里的差别判断本系统的运动状态 这不符合相对性原理 4 运动是相对的 S 系中观察者看S系中的尺缩短了 钟变慢了 同时 S系的观察者看S 系中的尺也缩短了 钟也变慢了 6 观察者 与 观看者 5 时间与长度随惯性系的运动速率v而变化 这与牛顿的绝对时空观是不相容的 直到1959年才注意到应区别二者相对论效应 长度缩短 立方变长方 圆变椭圆 这是在同一时刻测量运动物体的 真实 图像 观察者 测量者 当我们看到或拍摄一物体时 记录的是同时到达视网膜或底片的光子 这些光子并不是物体上各点同时发出的 较远的点较早发出的光与较近的点较迟发出的光同时到达 这是光学效应引起的畸变 观看者 7 双生子佯谬twinparadox 时钟佯谬 一双生子Jim和Tim20岁生日那天 Tim坐上u 0 9998c的飞船相对于地球作匀速直线运动一去一回整一年 在飞船上一年 在地球上经过50年 21岁的Tim归来时 迎接他的是70岁的Jim 又 运动是相对的 可以看成地球运动 飞船不动 结果 地球上一年 在静止的飞船上是50年 21岁的Jim迎来的是70岁的Tim 到底谁年轻 这是一个佯谬 似乎是谬论 其实不是相对论有什么毛病 而是不适当地乱用了狭义相对论 飞船不是惯性系 加速系中发生时钟延缓效应是绝对的 广义相对论讨论一定是Tim年轻 例5 6若火箭天线长 与箭体夹角为设火箭沿水平方向飞行速 求地面上的观察者测得的天线长度及其与箭体的夹角 解 取火箭飞行方向为及轴的方向 和 设光源相对接受器的运动速度为v 接受器所在的参考系为S 在光源上建立参考系S 在参考系S 中 光的频率和周期为 在参考系S中 光源的时钟变慢 观测到的波长因光源的运动而改变 观测到的光波频率 相对论多普勒效应 S 系 S系 多普勒效应为宇宙膨胀学说提供了依据 1917年M Slipher拍摄到15个涡旋星云的光谱 发现其中13个星云的吸收谱线移向红端 这表明这些星系正在远离我们而去 1929年E P Hubble在此基础上根据自己测定的距离资料 总结出哈勃定律 星系的红移量与距离成正比 以后哈勃定律被更多的观测数据所证实 这意味着越远的星系退行速度越大 整个宇宙在膨胀 例星光的红移氢原子巴尔末线系的最大波长 0 656nm 在观测来自一个遥远星系的光谱中 这条谱线的波长的测量值为 1458nm 求星系相对地球的退行速度 退行速度就是多普勒公式中的v 多普勒效应在气象中的应用 经典力学的基本方程 动量守恒和能量守恒等都是在旧时空观下建立的 它们不具有洛伦兹变换不变性 根据狭义相对论的相对性原理 要求质点动力学方程要满足洛伦兹变换不变性 一 质量和动量massandmomentum 1 牛顿第二定律与洛伦兹变换相矛盾 只要时间t足够长 速度v总会达到并超过光速c 这与相对论结论不符 也与高能物理实验相矛盾 5 5狭义相对论动力学基础dynamicsfoundationofspecialrelativity 质速关系式 动量守恒与能量守恒应具有洛伦兹变换不变性 动量定义 要动量守恒定律在洛伦兹变换下保持不变 质量不能再是常量 而应为 可见的上限是c 由于空间的各向同性 质量与速度方向无关 m0 静止质量 不变质量 任何运动学方法都不能使物体获得超光速的运动 相对论质点动力学基本方程 二 相对论质点动力学方程 相对论动量 三 相对论能量relativisticenergy 相对论动能relativistickineticenergy动能定理应该是合理的 设计质点从静止 通过力作功 使动能增加 合理否 与经典动能形式完全不同 利用泰勒