关于狭义相对论的一点认识.docx

物理课程论文关于狭义相对论的一点认识(08008421 陈亮)摘要：本文表达了一点关于狭义相对论的认识。表述了狭义相对论提出的历史背景。以及提出的历史必然性。同时表述了一点狭义相对论的结论。Abstract: This text expresses some understanding of special relativity. And this text includes the background of history and the inevitability of the putting forward of special relativity. And I express some conclusions of special relativity.关键词：狭义相对论 狭义相对性原理 洛伦兹变换 Key words：special relativity principle of special relativity Lorentz transformation “相对论”已经是一个家喻户晓的名词了。可由于相对论得出的结论与常识有很大的区别，人们又有点难以接受相对论。我通过阅读一些论述狭义相对论的书，再加上自己的思考，在这篇小论文中将自己关于狭义相对论的认识作一点总结。以希望自己能更容易接受狭义相对论，同时能给他人一点帮助。1、 关于惯性系：什么是惯性系呢?惯性系是一种特殊的参考系。参考系是用来描述运动的。参考系在数学上的表示是时间坐标与空间坐标。而这两个坐标是描述运动所必需的。原则上，我们可以选用任何物体作为参考系。惯性系就是选用特殊的物体所成的参考系。考虑这样一个物体，一段时间内，它受到的各种作用极弱，以至于我们可以认为它是自由的。这种自由质点做的运动叫做惯性运动。用自由质点作参考系就是惯性系。2、 关于相对性原理与坐标变换公式：早在20世纪以前，物理学家就得出了这样的结论：任何一个正确的物理理论都应满足这样的一个条件，即在一切惯性系中，这一物理理论描述自然的数学形式应是完全相同的。而这一结论的正确性似乎没有必要怀疑，因为很难想象如果不同的参考系中数学形式不同，人们又如何能发现这一物理理论。通常把满足上述条件的理论叫做服从相对性原理。不同的惯性参考系下，会有不同的坐标，因此就必须有一套用于不同参考系间坐标转换的变换公式。而上述条件（一切惯性系中，物理理论描述自然的数学形式应是完全相同的）可表述成：在任两个惯性系间，通过这一套坐标变换，物理理论的数学形式是不变的。通过常识，我们很容易就能接受由牛顿首先明确提出的经典时空观。即认为时间和空间与运动的物质没有任何联系。这一时空观又称作绝对时空观，所谓绝对，是指时间和空间与观测者的运动状态无关。而通过这一时空观，可以得到一套参考系间的坐标转换公式。即伽利略变换。设S和S是两个惯性系，取x和x轴沿两者的相对速度v方向，且在t=0时，坐标系原点重合。则这两坐标系间的伽利略变换公式如下：由此可得伽利略速度变换公式：二十世纪以前，物理学家把伽利略坐标变换下的不变性与相对性原理等同起来。由此考查牛顿力学，认为牛顿力学是符合相对性原理的。3、 麦克斯韦的电磁理论不符合相对性原理？麦克斯韦的电磁理论符合相对性原理吗？经典物理学家对于这个问题的回答是去考察它是否满足伽利略变换下形式不变。设在S系真空中电磁现象服从麦克斯韦电动力学，我们可以从麦克斯韦电动力学方程中直接得出：108m/s由伽利略变换式，得s系的真空光速 c=c-v由此可知c不再由与所决定。说明s系中电磁现象不再服从麦克斯韦电动力学。即说明麦克斯韦电动力学不符合相对性原理，麦克斯韦电动力学仅在某一个特殊的惯性系中才成立。物理学界求助于以太假说来解释这一特殊惯性系。可随后的几个经典实验结果却与以太论理论解释互相矛盾。如麦克耳孙实验。物理学界寻找绝对参考系的努力没有一个成功。而众多的实验也使我们明白，光速在任何惯性系中都是不变的。麦克斯韦的电磁理论在一切惯性系中都是真确的。可如果由伽利略变换来推导麦克斯韦的电磁理论，却得出麦克斯韦的电磁理论只在特殊的惯性系中成立。两者相矛盾，由此我们得思考一下伽利略变换是否有问题。4、 伽利略变换是错的！牛顿力学也是错的！伽利略变换公式是由绝对时空观推导出的。绝对时空观很容易接受，似乎就是真理。但最容易被人们接受的常识往往并不一定就是真理。仔细分析一下时间与空间这两个概念，会发现，时间概念来自事物运动变化的顺序性；空间概念来自物体实体的广延性。显然，没有物质的存在，就不会有时间与空间的概念。而绝对时空观及经典力学（牛顿力学）却认为时间和空间与运动着的物质没有任何联系。因此，绝对时空观有问题，牛顿力学也有问题。爱因斯坦认为迈克耳孙实验，说明了麦克斯韦电动力学是符合相对性原理的。爱因斯坦敏锐地察觉到“麦克斯韦电动力学符合相对性原理”和“麦克斯韦场方程在伽利略变换下为不变式”并不等价。由此爱因斯坦对牛顿力学进行修改。我们曾用下面的方程描述牛顿第二定律： 牛顿在叙述这一定律时默认了这样一个假定，即质量m是一个恒量。爱因斯坦修改后认为质量应是以下：同时对伽利略变换也要作出修改。伽利略变换公式因由洛仑兹变换公式取代。这样一来，牛顿力学与麦克斯韦电动力学在坐标变化下形式不变。即在每个惯性系下都有相同的数学表达形式。5、 狭义相对论的基本原理1905年，爱因斯坦在著名的论运动物体的电动力学一文中概括出了下述两条原理，并据此建立了新的理论狭义相对论。（1） 狭义相对性原理：任何真实的物理规律在所有惯性系中应形式不变。或者说，一切惯性系都是平权的、不可分辨的。可以看出，狭义相对性原理是伽利略相对性原理的推广，实质上是肯定了在所有惯性系中，不仅仅是力学规律而是所有的物理规律的绝对性。这条原理理所当然地否定了宇宙中存在着一个优越的所谓绝对静止的原始惯性系，虽然如此，它却肯定了宇宙中应当存在着一群优越的坐标系，即全部惯性系。只有以后发展起来的广义相对论才彻底否定了任何坐标系的优越性，从而在任何坐标系中肯定了物理规律的绝对性，但是这时却需要考虑引力场的作用。（2） 光速不变原理：任意一个惯性系中的观测者所测得的真空中光速恒为c。这条原理实质上说明麦克斯韦电动力学在一切惯性系中的形式不变性，亦即肯定了麦克斯韦电动力学的正确性和绝对性。需要修改的不是麦克斯韦电动力学而是牛顿力学。为什么需要修改的不是电动力学而恰恰是牛顿力学呢？这并不奇怪。真空中电磁波的传播速度只有一个唯一的速度，就是c。地球上测得的值，只能是这个自然界中普适的常数。在客观世界中不存在什么低速光近似下的电磁波理论。所以早在狭义相对论被发现以前，人们就得到了正确的麦克斯韦方程。牛顿力学则不然，人们经常接触的力学现象是远小于光速的速度，由此总结出来的力学规律也就是在低速形式下的力学规律牛顿力学，所以在高速情况下必须修改它。6、 相对论的时空观事件可以用这样的坐标表示:定义时空间隔为 如果取事件P0坐标为(0,0,0,0)，则为：我们可以根据爱因斯坦的两条基本原理来证明，对相互作匀速运动的两个参考系S和S，侧量两事件的时间间隔和空间间隔一般不相同，而时空间隔却相同即：对于相对论的时空观，我们应接受同时的相对性；空间距离的相对性；时间间隔的相对性。同时，时空间隔却是绝对的。我们在地球上测得地球距x恒星的距离是l，但由一个正乘着宇宙飞船飞向该恒星的宇航员来测量，他得出的距离就会小于l。这就是空间距离的相对性，而由相对论进行计算，可得，宇航员所测得的距离为： 为飞船的速度。同时我们在地球观察会觉得飞船上的人，所经历的生活中的一切都变得缓慢了。飞船上的钟比地球上的钟走慢了。我们通过计算知道，飞船应该是在以下时间后到达恒星（而由地球上的钟看，的确是这个时间）：可实际观察却得知以飞船上的钟计时，飞船是早于这个时间之前到达了恒星。我们的理解是飞船上的时间变得缓慢了，钟走慢了。可在宇航员看来，并不会觉得时间变得缓慢。他对于自己早于已在地球上算好的时间到达恒星的解释是：在地球上所测得地球与恒星间的距离是错误的，偏长了。所以计算的时间比实际时间长了。而如果，以他在宇宙飞船上测的距离来计算时间的话，正好符合实际。由此例子，我们可看出：每个惯性系都有自己的时间与空间坐标。对每个惯性系来说，时间流逝的快慢是不同的。一段固定的距离，在不同的惯性系看来有不同的长度。同时，在一个惯