3.时间、长度的相对性.ppt

相对论主讲人：Tensor,（一）伽利略相对性原理：“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也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”经典力学定律在任何惯性参考系（惯性系）中数学形式不变，换言之，所有惯性系都是等价（平权）的。什么是惯性系？伽利略变换：,襄邑道中陈与义飞花两岸照船红,百里榆堤半日风,卧看满天云不动,不知云与我俱东.,（二）牛顿的绝对时空观：时间、空间、与物质有何关系？牛顿的观点：相互独立、互不关联,牛顿力学+数学=分析力学（拉格朗日）电磁学+数学=电磁理论（麦克斯韦）热力学+数学=统计物理（玻尔兹曼）,光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以太ether)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验.,Maxwellsequations,迈克尔逊-莫雷实验Michelson-MorleyExperiment,实验结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，在物理学发展史上占有十分重要的地位。,狭义相对论诞生前夜（洛仑兹、庞加莱）,洛仑兹为了说明迈克孙-莫雷实验的结果，独立地提出长度收缩的假说，认为相对以太运动的物体，其运动方向上的长度缩短。,庞加莱也独立推导出了该公式，且证明了同时的相对性.BUT.,狭义相对论的基本原理可表述于下：1.相对性原理相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯性系的运动状态。2.光速不变原理相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量，c3.0108米/秒，与传播的方向无关，与光源的速度也无关。,（三）爱因斯坦与狭义相对论,Note：光速与惯性参考系无关，狭义相对论只适用惯性参考系！,“同时同地”都是相对的相隔一定距离发生的两件事情，在一个参考系中是同时发生的，在另一个参考系中就可能不是同时的。,反之：地面上同时发生两个事件，对于运动的火车也不是同时的,1.钟慢效应,小丽在运动的列车中拍两下桌子，她测得的是间间隔（固有时）,在站台中的人测得这两个事件时间间隔（在站台的人看来，是在不同地点各拍的一下桌子）,运动中的钟走得慢些，他们都认为对方的钟变慢了！反过来，你在站台跺两下脚的时间为t0，小丽在运动中的列车中测你跺脚的时间t1也会大于t0，你的钟又走得慢了，时间是相对的.,根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证.,双生子佯谬,2.动尺收缩效应（洛仑兹收缩）,一根棒在运动时的长度要比它静止时候的长度要小！长度收缩也是由于相对运动而引起的观测效应，同理在运动的火车上观察窗外树木的间距也比在外边测得的要短些。长度也是相对的！,思考：弟弟觉得哥哥的火箭变短了，反过来，哥哥也会觉得弟弟的火箭变短了！能否用所学的知识解释？,洛仑兹变换（速度公式）,飞船以u=0.9c飞行，向前发射一枚导弹，导弹相对于飞船的速度v=0.5c，则导弹对地面的速度为多少？,光在真空中的速度c是自然万物运动速度的极限！,3.质量膨胀效应与质能公式,在相对论中，质量m和能量E密切相关，统一的整体，式中m为动质量，E为与所研究对象的全部能量，m0为静质量,物体的动能等于物体运动时的总能量减去静止时的能量：,经典力学中的动能是相对论在vc中的近似,牛顿力学适用范围：低速、宏观、惯性系！如果是非惯性系呢？,以小孩为参考系，小球和车没有摩擦，故小球水平方向不受力，但小孩却说球是从静止开始加速跑过来撞我的，他错了么？（细思极恐，这将影响到社会的公平，司法的公正.）,“狭义相对论适用于高速惯性系，为什么一定要适用于惯性系？还有，牛顿的万有引力为啥不能纳入我的框架？”,广义相对论（选学）1.广义相对性原理2.等效原理狭义相对论：时间、空间是相对的，会随着物质的运动而变化,忽略阻力，自由落体、抛体运动只受重力（万有引力），它们具有共同的加速度，且与物质本身无关，只与高度、初速度、倾角等几何因素有关，那么万有引力会不是不是真正的力，而是一种几何效应呢？,时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲,飞镜无根谁系，嫦娥不嫁谁留？,牛顿说：飞镜无根引力系嫦娥不嫁速度留,爱因斯坦说：飞镜本无根，嫦娥空自留地球质量很大，使周围时空弯曲，月亮在弯曲的时空中自然而然的惯性运动！,这里时间t和空间x的弯曲程度（曲率），与物体质量m分布息息相关，显然不能用普通的欧几里德几何和一般的向量分析来描述了，与之对应的数学工具，它们分别是：黎曼几何（RiemannianGeometry）张量分析（TensorAnalysis）,爱因斯坦场方程：,时空告诉物质如何运动物质告诉时空如何弯曲,从爱因斯坦场方程中可以很自然而然的得到一些解，将这些解和其他理论相结合可以代表了一种预言，比如黑洞、引力波、引力拖曳效应、暗物质、暗能量、霍金辐射、虫洞、时空隧道.有的预言已经被证实，比如：,2016年，LIGO成功探测到“引力波”,中国天眼（FAST）,光线偏折,引力红移,爱因斯坦生平简介（1879年3月14日-1955年4月18日）,牛顿力学适用范围：低速、宏观、惯性系高速有狭义相对论、宇观有广义相对论，但相对论离我们太遥远，毕竟你的速度不可能到达光速，你身边的物体不会超过地球，那么离你日常生活密切相关的高科技，其基本原理叫：QuantumMechanics,普朗克先生写下了黑体辐射公式宣告量子力学诞生距今已一百一八年,德国1918年,薛定谔方程天才的灵光一现,奥地利1938年,法国1929年,用德布罗意波谱写出物理学光辉的顶点,对易.表象.守恒.自旋，是谁的发现？喜欢在光谱中找到只属于我的那条线经过丹麦玻尔研究院我以大师之名许愿,丹麦1922年,思念像海森堡矩阵般地蔓延当波函数只剩下测不准语言几率就成了永垂不朽的诗篇,德国1932年,我给你的爱是轨道加自旋渗透到每一个原子里面隔一个世纪再一次发现泡利不相容原理依然清晰可见,德国194