第1次 相对论相对性原理.ppt

相对论 第十八章 specialrelativity 本章主要内容 伽利略力学相对性原理与变换 狭义相对论基本原理 洛仑兹变换式 狭义相对论时空观 相对论的动力学基础 教学基本要求 一了解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式 二了解狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩和时间延缓的概念 了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异 三理解狭义相对论中质量 动量与速度的关系以及质量与能量间的关系 十九世纪末的物理学危机 由于X射线 1895年 放射性 1896年 电子 1897年 以及镭 1898年 的发现 物理学上空已不是两朵乌云 含义 而是危机四伏 两朵乌云 爱因斯坦 Einstein 相对论的创始人 现代物理学 1900 理论支柱 相对论 高速领域 量子力学 微观领域 要超越偏见 超越自我认识的局限 客观地看问题 把握物理世界更深层次的奥秘 常识是在18岁以前敷设在思想上的一层偏见 空间 时间是什么 别人在很小时候就早已搞清 但是我智力发育迟 长大了还没搞清楚 于是一直在揣摩这个问题 结果也就比别人钻研得深一些 相对论从根本上改变了经典的时空观 什么是经典的时空观呢 一 伽利略变换 GalileanTransformation 18 1力学相对性原理绝对时空观 在两个惯性系中考察同一物理事件 正变换 逆变换 坐标变换 速度变换与加速度变换 正 逆 矢量形式 二 伽利略力学相对性原理 1632 GalileanPrincipleofrelativity 经典力学 力与参考系无关 质量的测量与运动无关 宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同 或 力学规律在伽利略变换下形式不变 推论 无法借助一个惯性系内部所做的任何力学实验 来确定该惯性系相对其他惯性系是否在运动 或静止 地恒动不止而人不知 譬如人在大舟中 闭牖 you窗户 而坐 舟行而不觉也 西汉时期记载 比伽利略早1700年 在研究力学规律时 一切惯性系都是等价的 三 经典力学的时空观 比较在不同的参考系中 时间和长度的测量结果 空间间隔的绝对性 空间两点距离是一个不变量 与参照系的选择和观察者的运动情况无关 结论 牛顿 绝对的真实的数学空间 就其本质而言 是永远均匀地流逝着 与任何外界事物无关 绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的 它从不运动 并且永远不变 经典力学时空观 空间和时间是相互独立的 互不相关的 并且独立于运动之外 伽利略变换的困难 电磁学是否满足相对性原理呢 1 电磁场方程组经伽利略变换后形式变化 2 光速c 对电磁现象的研究表明 电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换 真空中的光速 例试计算球被投出前后的瞬间 所发出的光波达到观察者所需时间 球投出前 球投出后 根据伽利略变换 公元1054年 人们发现天上出现了一颗 客星 其耀眼的光芒 用肉眼在白天也看得见 史书记载它在天空中停留了22个月 产生了著名的金牛座蟹状星云 当一颗恒星在发生超新星爆发时 它的外围物质向四面八方飞散 即有些抛射物向着地球运动 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 A点光线到达地球所需时间 B点光线到达地球所需时间 理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约 实际持续时间约为22个月 这怎么解释 只能说明伽利略变换不适用于高速问题 18 2迈克耳逊 莫雷实验 从麦克斯韦电磁场理论得到真空中的光速 如何看待这个电磁波和光速呢 人们很自然地要与曾用牛顿定律成功解释过的机械波来类比 机械波 电磁波 光波 1 依靠弹性媒质传播 如声波在空气中传播 2 波速是相对于静止媒质保持相对静止的参照系的波速 1 依靠弥漫宇宙的 以太 Aether 传播 c很大 故 以太 应比钢还硬且星体在其中运动时要畅行无阻 2 c是相对 以太 参照系的速度 以太 是宇宙间的绝对静止参照系 用迈克尔逊干涉仪 以太 参考系是绝对静止系 迈克耳逊 莫雷实验 目的 找到 以太 设 以太 参考系为系实验室为系 整个装置旋转90 将再出现这样一个光程差 从系看 仪器测量精度 实验结果未观察到地球相对于 以太 的运动 白天 晚上 春夏秋冬 随后100年 人们不断改 进 装置 就是不改牛顿理论 唯独爱因斯坦 1901年考夫曼在确定镭发出射线 电子束 荷质比的实验中 观测到此值与速度有关 即m不是常量 人们为维护 以太 观念作了种种努力 提出了各种理论 但这些理论或与天文观察 或与其它的实验相矛盾 最后均以失败告终 意味着经典物理学伽利略变换 绝对时间 绝对空间 出了问题 就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空 18 3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换 一 狭义相对论的基本原理 两条假设 1 相对性原理物理定律在所有的惯性参照系中都具有相同的表达形式 从力学定律变成物理定律 2 光速不变原理对所有的惯性参照系 真空中的光速都是c 它与光源或观测者的运动无关 1905年 26岁 专利检查员 兼职研究 Planck40岁大器晚成 2 光速不变原理解释了迈克耳逊 莫雷实验 与伽利略的速度相加原理针锋相对 否定了绝对时间 3 观念上的变革 牛顿力学 速度与参考系有关 时间标度 长度标度 质量的测量与参考系无关 无论通过什么物理现象 都不能确定本参照系与其它参照系有什么不同 没有一个特殊地位的参照系 否定了绝对参照系的存在 实际上否定了绝对空间 实质 所有的惯性参考系都是等价的 伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 1 相对性原理是伽利略力学相对性原理的推广与发展 说明同时具有相对性 时间的量度是相对的 否定绝对时间 二 洛伦兹变换式 1904年 早于1905年 这就是为什么不叫爱氏变换的原因 但是是基于 以太 错误的理论推出正确的结果 逆变换 注意 正逆变换不是简单的对调推导 而是 v代入 体现相对性 意义 基本的物理定律在洛伦兹变换下保持不变 正变换 1 与成线性关系 时间 空间是均匀的 但比例系数 2 相对论将时间和空间以及它们与物质的运动不可分割地联系起来了 3 时 洛伦兹变换伽利略变换 洛伦兹变换的特点 时空是均匀的 同一参照系中某事件发生的时间间隔与空间间隔与它们在什么时间发生 什么地点发生无关 具体讲 一棒AB沿X轴放置 不管放在X轴的何处都是一样长 L2 L1 又如 一物体从H高度掉下来 但不管是现在掉下来还是等一下掉下来所需时间都一样 t1 t2 牛顿定理与伽利略变换毕竟是低速状态下客观事物的反映 三 速度变换公式 速度变换公式 1 在非相对论极限下 相对