浅谈相对光速不变原理.doc

教学单位 物理与信息技术系 学生学号 200791014101 编 号 电动力学论文题目 浅谈相对性与光速不变原理 学生姓名 肖 梅 专业名称 物理学 指导教师 王参军 2009 年12月21日浅谈相对性与光速不变原理摘要：本文简单介绍了相对论的基本原理之一光速不变原理。迈克尔逊-莫雷实验（1887年），是测量光速沿不同方向的差异的主要实验，本文就此实验展开讨论。解释了光速不变性和旧时空观的一些矛盾，加深了对光速不变性的解释。关键字：相对性，光速不变。著名的迈克尔逊-莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参照系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是光速不变原理。 迈克尔逊-莫雷实验得出光与参照系无关的结论，是这样吗？迈克尔逊-莫雷实验否定以太学说，能同时得出光与参照系无关的结论吗？实验内容：将干涉仪固定在地球上，且使其两臂长度相等，均为L。设想以太相对太阳固定，则干涉仪将以地球绕太阳公转的速率通过以太运动。设地球相对以太的速度方向为自左向右。光源S发出的光,经半反射镜分成两相干光束,到达T处发生干涉。计算两束到达处的时间差：设光束从到的往返时间为，则设光束2从到的往返时间为，由于以太正以速度垂直于光路漂移，根据速度合成法则，可以推出对地名往返的光速为，则。两束光到达望远镜的时差为如果将整个装置转动可得，设转动过程中干涉条纹移动数目为。将实验数据及，的値代入，可得。由上式可知，干涉条纹应该移动0.4个左右，而实验观察到的上线仅为0.01个。 无论经典力学速度合成定律或相对论速度合成定律，虽然速度值有所不同，但速度合成定律中速度合成指的是：物体对某参照系有一速度，某参照系又相对于另一参照系以某一速度运动，求物体相对于另一参照系的速度值。 相对性原理指的是：不能用任何实验，包括电磁学实验和光学实验，来证明一个物体是在静止或是在做匀速直线运动。就是说，一个物体运动或与否对在物体上所做的实验没有影响，物体运动与否对在此物体上的物体的速度值没有影响。相对性原理中指出我们不能用光学实验证明一个物体运动与否。物体的运动与否对光学实验没有影响，物体的运动 与否对光速没有影响。那么这里的对光速没有影响是不是，就是光速不变原理呢？迈克尔逊-莫雷实验得出的结果，说明地球的运动对光速并没有影响，这里指的是相对性原理中的物体的运动对光速没有影响呢？还是指光速不变原理中的光速不变呢？在系统内（例如飞船），不能做任何实验来证明一个物体是静止或是在做匀速直线运动：同时，选择不同的参照系物体有不同的速度值。 在系统内不能用任何实验来证明一个物体是静止或是在做匀速直线运动；在地球上我们不能用光学实验来证明地球是静止或运动的。光在真空中的速度对 于一切惯性参照系来说都是相同的。既跟光源的运动速度无关也跟观察者的运动速度无关。虽然光速不变，但这属于速度合成定律。在系统的外部通过参照系看速度。地球的运动对光速并没有影响，即光在地面上任何方向传播的速度都相同。我们是否理解这就是光速不变呢？什么是相对性原理？什么是光速不变原理？例如在同时的相对性中,车厢中的观察者看来无论火车静止或匀速直线运动，对光线没有影响。光线都是同时到达。这是相对性原理。而光速不变原理是，在路基上的观察者看来，火车的运动对光速没有影响。那么，只有光速不变原理的成立，相对性原理才成立这句话是如何理解的呢？迈克尔逊-莫雷实验得到否定结果，看来地球的运动对光速并没有影响，即光在地面上沿任何方向传播的 速度都相同。以前，我把这理解成了光速不变（即光速不变原理），即光相对于参照系的速度不变。事实上迈克尔逊-莫雷实验的否定结果证明了相对性原理即我 们无法用光学实验证明地球是静止或运动的。地球的运动对光速没有影响，这句话是相对于系统内部来说的，即不是对参照系说的。以上理解是与，只有光速不变原理成立，相对性原理才成立的说法是不同的。迈克尔逊-莫雷实验得到否定结果，看来地球的运动对光速并没有影响，即光在地面上沿任何方向传播的速度都相同。 在迈克尔逊-莫雷实验中，如果以太不存在，特殊参照系不存在，那么迈克尔逊-莫雷实验的否定结果说明相对性原理成立，一切惯性参照系都是平等的，我们不能用任何实验，包括光学实验，来证明一个物体是在静止或在做匀速直线运动。 在迈克尔逊-莫雷实验中，如果以太存在，那么实验的否定结果说明，光速是不变的，即它既跟光源的速度无关，也跟观察者的速度无关。 迈克尔逊-莫雷实验的否定结果本身说明特殊参照系是不存在的。 真空中的光速相对于任何惯性系眼任一反方向恒为，并与光源运动无关。相对论的基本假设是和旧时空感念矛盾的。旧时空感念是从低速力学现象抽象出来的，集中反映在关于惯性坐标系的伽利略变换中。设惯性系相对于以速度运动，并选和轴沿运动方向，伽利略变换式为上式所反应的时空观的特征是时间与空间的分离。时间在宇宙中均匀流逝着，而空间好像一个容器，两者之间没有联系，也不与物质运动发生关系。在低速现象中还没有暴露出这种观点的错误，但是在告诉现象中旧时空观与客观实际的矛盾立即显示出来。相对论的基本假设是和旧时空观相矛盾，旧时空观是从低速力学现象中抽象出来的，集中反映在关于惯性坐标系的伽利略变换中，认为时间与空间是分离的，两者之间没有联系，也不与物质运动发生关系，在低速现象中这种观点是正确的，在高速现象中就显示出与客观实际的矛盾。光速不变性与旧时空观矛盾的性质可以用一个简单例子说明。如图所示，设有一光源和一些接收仪器（图中的，和等），相对于以速度沿轴方向运动，取光源刚好在的原点与的原点重合的时刻从该重合点发光。我们分别讨论在惯性系和上观察闪光的发射和接收事件有什么不同。时间和空间是运动着的物质存在的形式，时空概念是从物质运动中抽象出来的，而不是独立于物质运动之外的概念。离开物质及其运动，就没有所谓绝对的时空概念。在上观测，光从点发出，光速为，1秒之后光波到达半径为的球面上，这时处于球面上的接收器，和同时接收到光讯号。这球面是一个波阵面在另一惯性系观测，光从发出，光速仍为，当接收器收到光波时，已经离开，当接收到讯号时，距较近，而距较远，因此上的观测者必然认为，光波到达的时刻较早于到达的时刻从这个例子看出，光速不变性所导致的时空概念是和经典时空观有深刻矛盾的。所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间、速度等都需要重新加以探讨。相对论的一个主要内容就是关于时空的理论。光速不变性所导致的时空概念，如同时向，距离，时间，速度等都要根据新的实验事实重新加以讨论。相对论的一个主要内容就是关于时空的理论。时间和空间运动着的物质存在的形式。时空概念是从物质运动中抽象出来的，而不是独立与物质运动之外的概念。离开物质及其运动，就没有所谓绝对的时空概念。在经典力学中，由低速现想抽象出来的时空观带有一定局限性，当我们研究高速现象特别是电磁波传播现象时，发现旧时空观与实验事实相矛盾，这是完全可以理解的。人们对时空的认识和对一切事物的认识一样，都是在不断地实践中逐步加深的。运动的合成包括一个物体的运动合成，还有另一种运动的合成。一个物体的运动合成 例如:飞机斜向上飞行，包括水平方向的分速度和竖直方向的分速度。另一种运动的合成 例如:地面上的观察者看到匀速直线行驶大船上的自由落体运动，包括水平方向的分速度和竖直方向的分速度。（再如地面上的观察者看到匀速直线行驶大 船上的光速） 在运动的合成中，在速度合成定律中，无论经典速度合成定律还是相对论速度合成定律，都包含着一个信息:分运动是互不影响的，两个分运动是互