大学物理学：17-1相对论

1、概述(Summarize)19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 正于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-” “在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” -开尔文-这两朵乌云是

2、指什么呢？黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。普朗克量子力学的诞生相对论问世经典力学量子力学相对论微观领域高速领域今天来介绍相对论相对论-关于时空观及时空与物质关系的理论。相对论有狭义相对论广义相对论之分：关于惯性系时空观的理论；狭义相对论（special relativity）广义相对论（General relativity）关于一般参照系及引力的理论；爱因斯坦公众谓之人类最高智慧的象征爱因斯坦的主要科学贡献： 光的量子论、狭义相对论和广义相对论。阿尔伯特爱因斯坦1895年在瑞士阿劳州立中学学习。1900年

3、他在瑞士苏黎世联邦工业大学毕业。1902年在伯尔尼的瑞士专利局被聘为三级技术员。1905年，爱因斯坦发表了六篇论文，提出了有划时代意义的“光的量子论”、“狭义相对论”和“布朗运动理论”。 1、狭义相对论 仅限于惯性参照系，特别对微观高速运动的粒子（1）狭义相对论的两个基本原理a、相对性原理b、光速不变原理（3）有关时空结构和物质、运动联系的一个时空 观（2）洛伦兹变换（4）相对论动力学和电动力学（5）质能关系2、广义相对论（1）等效原理和广义相对性原理非惯性系处理成惯性参照系加速场和与引力场等效所有物理学规律对所有的参照系都成立（2）广义相对论揭示时空结构与物质的统一性（3）天体物理的基本理论

4、基础a、光束弯曲 当光束通过引力场时，根据等效原理，它的轨道应当弯曲。例如：星光经过太阳边缘时，我们应当观察到光束的“位移”，这种位移只有在日蚀时才可能发现。星太阳月亮地球（4）广义相对论的实验验证b、引力红移 原子或光子的振动可以看作是最简单的时钟。光子振动频率的变动使光束的颜色向光谱的红色端偏移，因此把它称为引力红移。 原子在引力大的地方发出的光波长变长，频率 变短太阳是巨大的引力场的值：c、水星近日点的进动 行星实际上并不按椭圆运动，因为邻近天体的影响对这行星的运动产生摄动。举例：水星特别明显地表现在所谓近日点的进动上。按照开普勒的理论，行星每年都应通过同一个近日点。但由观察得知，这个轨

5、道点的位置相对于不动的恒星每一百年约变化1o3320”。水星太阳近日点水星太阳近日点第17章 狭义相对论基础17-1伽利略变换 经典力学的旧时空观17-2爱因斯坦假设 洛仑兹坐标变换17-3 狭义相对论的时空观；17-4狭义相对论动力学基础17-1伽利略坐标变换 经典力学时空观一）伽利略坐标变换（简称“GT”）及经典时空观二)伽利略相对性原理（Galileo relativity principle ）例）一小车以速度 沿X轴运动，人在小车上打开手电筒，灯光在小车中（K系）以光速C传播，则地面的人（K系）测得的光速为多大？由“GT”地面上的人测得的光速为：可见在“GT”下光速是没有限度的或CX

6、X迈克耳逊莫雷实验一麦克斯韦方程组对伽利略变换不协变自牛顿定律建立起来以后，人们成功地解释了力、热、电、光、声等现象，牛顿定律已达到了登峰造极的程度，人们对牛顿定律可以说是已经达到了顶礼模拜、乃至迷信的程度。普遍认为牛顿定律是万能的。 19世纪60年代麦克斯韦建立了解释电磁现象的方程-Maxwell Eqution。并导出了电磁波的方程。 式中：C为真空中的光速如何看待这个电磁波和光速呢？由于牛顿定律在人们头脑中的统治地位。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）1）依靠弹性媒质传播，其波速由弹性模量和媒质密度决定。如声波在空气中传播2）波速是相对于和静止媒质保

7、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。测得为：测得为：正于顺风与顶风骑自行车感觉风速不一样一样。uCuC风1887年 1930年1958年1970年17-2 爱因斯坦假设 洛仑兹坐标变换一、狭义相对论的两条基本原理1）相对性原理：一切物理学定律对一切惯性系参照系都是等价的。2）光速不变原理-真空中的光速相对任何惯性系，沿任意方向恒为C，且与光源的运动状态无关。光速为C光速为CC+vCv如果不满足光速不变原理，因果关系将颠倒过，可是从来

8、没有看到过这种现象。CXX注意：A）惯性系；B）真空中（介质中的光速C=C/n）2）不要认为狭义相对论是迈克尔逊-莫雷实验的直接结果，它是近半个世纪大量实验的总结；当然迈克尔逊-莫雷实验对确认狭义相对论有重要影响。1）光速不变原理适用的条件那么，对应狭义相对论的坐标变换又是什么呢？二、洛仑兹坐标变换（简称“LT”）此坐标变换是荷兰人Lorentz发现的，他发现在这个变换下Maxwell方程具有不变性。1）时间、空间是均匀的，要求变换是线性的。所谓时空是均匀的，是指同一参照 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。L2L1XZYOL1=L2一样长！XZYOH t1 t2=ABAB2）新的变换应在低速状态下变成为伽利略坐标 变换以上称为洛仑兹坐标变换.简称“LT”常令：注意：1）2）物质之间的相对运动速度为虚数，时空坐标也变为否则虚数，失去了时空坐标的意义。速度变换