大学物理：相对论1（全）

爱因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955）1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”——公众谓之人类最高智慧的象征法国物理学家朗之万（P.Langevin,1872—1946）曾这样评价过爱因斯坦：

他的伟大可以与牛顿相比拟；按我的意见，他也许比牛顿更伟大一些。因为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的结构中。爱因斯坦（AlbertEinstein，1879—1955）爱因斯坦的主要科学贡献有四个方面：（1）关于分子运动的研究。1905年—分子热运动理论解释布朗运动，并提出测定分子大小的方法。（2）对量子物理学的贡献。1905年—光量子假说；1906年—固体热容的量子理论；1916年—受激辐射理论;1924年—玻色-爱因斯坦量子统计理论。（3）相对论的建立。1905年—狭义；1915-1916年—广义相对论。（4）关于宇宙学和统一场论的研究。广义相对论以后，爱因斯坦提出有限无边的宇宙模型，力图建立引力场和电磁场的统一理论。虽然未获成功，但目前这些方面的研究，都与爱因斯坦的工作有关.学习狭义相对论的正确态度

●超越自我认识的局限

●自觉摆脱经验的束缚——以事实为依据

●逐渐深化认识客观世界的过程——狭义相对论是其中的一个环节，也有其局限性

爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.

理论特色：出于简单而归于深奥.迈克耳逊-莫雷实验伽利略变换式牛顿的绝对时空观狭义相对论的基本原理洛伦兹变换狭义相对论的时空观相对论性动量和能量小结

第十四章相对论教学要求1理解伽利略坐标、速度变换，了解经典时空观；2理解爱因斯坦两条基本原理，掌握洛伦茨变换；3理解狭义相对论同时性、长度及时间的相对性，了解经典时空观和相对论时空观的差异；4理解狭义相对论中质量与速度、质量与能量、动量与能量的关系，能分析计算有关问题；J.C.Maxwell(1831-1879)相对论产生的历史背景力热声电磁光物理学的大综合经典物理学I.Newton(1642-1727)

●迈克耳逊——莫雷“以太漂移”实验。

●黑体辐射实验——“紫外灾难”。强调

●近代物理是全新的理论，不是对经典的补充。狭义相对论量子力学两朵乌云●近代物理不是对经典理论的简单否定。新旧时空观的斗争能量连续与离散的斗争开尔文爵士的“两朵乌云”：(x')O'z'y'S'一伽利略变换若t＝0，S

、S’系重合，t时刻物体在P

点，其时、空关系为:P(x,y,z;t)(x',y',z';t')yOzSx

14-1伽利略变换牛顿的绝对时空观二经典力学的绝对时空观1绝对时间:时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.2绝对空间:空间与运动无关,空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关,绝对不变．绝对时空观认为：时间和空间是彼此独立、互不相关，并且独立于物质和运动之外。“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的、不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的、不依赖于任何外界事物。”—牛顿绝对时空观

三经典力学的相对性原理●质量与运动无关●力与参考系无关在两个惯性参考系中的牛顿第二定律：

伽利略通过实验观察指出：力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；即在研究力学规律时一切惯性系都是等价的。这就是力学相对性原理或伽利略相对性原理。在经典力学中：

伽利略相对性原理表明不可能用力学实验确定惯性系自身的运动

●不存在绝对静止的参考系，

●运动是相对的，但时间和空间是绝对的

●经典力学、伽利略变换和伽利略相对性原理三者是自洽的四Maxwell电磁理论的挑战

1865年，Maxwell方程组，存在着电磁波。c是真空中电磁波的传播速度，电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速在不同的惯性系中电磁波的波动方程呈现不同的形式1Maxwell方程组的协变性问题电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换2绝对参照系——以太参照系

在力学中无法探测和证实的绝对惯性系在电磁理论中又复活了！！Maxwell波动方程中的光速是相对于哪个参照系的——以太系？球投出前结果:先看到投出后的球，

计算投球前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后后看到投出前的球.

900

多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元1054年~1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见.

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.物质飞散速度l=5000

光年AB实际持续时间约为22个月,无法解释！理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约A

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间以太系光靠“以太”媒质传播，相对静止的“以太”，光的传播速度各向同性，恒为c。

●弥漫于宇宙空间，无孔不入；●密度极小，刚性很大（固体）；

●切变模量很大；

●对宏观物体的运动没有任何拖曳；现实课题●测出地球参考系以太系的速度；●用电磁学或光学的方法找出以太系。

经典时空观（力学的相对性原理）与麦克斯韦的电磁场理论两者不相容，必有一个是不正确的。问题的焦点：14-2迈克耳逊-莫雷实验1迈克耳逊-莫雷实验的目的——寻找以太系2迈克耳逊-莫雷实验的结果——零结果3迈克耳逊-莫雷实验的装置与过程A.A.Michelson1852-1931EdwardMorley1838－1923对光线Ⅰ：OM1O以太风ⅠⅡ对光线Ⅱ

：OM2O两束光线的时间差当仪器转动π/2

后，引起干涉条纹移动设，且＜＜C

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、或与其它实验矛盾，最后均以失败告终.仪器测量精度

实验结果:,v=0，地球相对“以太”没有运动.1887年迈克耳逊和莫雷做实验用的实验台1907年迈克尔逊和莫雷因创制了精密的光学仪器而获得诺贝尔物理学奖4迈克耳逊-莫雷实验的结论（1）光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，否定了以太的存在。（3）迈克耳逊实验就其初衷来说是一次失败的实验。（2）迈克耳逊实验说明了地球上光速沿各个方向都是相同的（此时，ΔN≈0，所以无条纹移动）。迈克耳逊-莫雷实验的“零”结果分析麦克斯韦方程组

伽利略变换绝对参考系相对性原理迈克耳逊-莫雷实验“以太”“零”结果麦克斯韦方程组相对性原理伽利略变换光速与参照系无关

(光速不变原理)

寻求新变换

(满足相对性原理)洛仑兹变换修改牛顿定律使之满足相对性原理呼之欲出的狭义相对论的基本原理

爱因斯坦极其幸运。他出生于一个合适的时代，当物理学面临重重危机的时候，他的创造力正处于巅峰，他有机会改写物理学的进程。他有自牛顿时代以来的独一无二的机遇！

14-3狭义相对论的基本原理一狭义相对论的基本原理（1905）1爱因斯坦相对性原理（物理学相对性原理）

物理学规律在所有惯性系中都具有相同的表达形式，所有的惯性系都是等价的，物理学定律与惯性系的选择无关。

间接指明：无论用什么物理实验方法都找不到绝对参照系。

在所有惯性系中，测得真空中光速均有相同的量值c。●

关键概念：相对性和不变性.●

与伽利略变换不符.2光速不变原理包含两个意思：（1）光速不随观察者的运动而变化（2）光速不随光源的运动而变化二洛伦兹变换式洛伦兹（H.A.Lorentz，1853—1928），荷兰物理学家。变换式原来是洛伦兹在1904年研究电磁场理论时提出来的，当时并未给予正确解释。第二年，爱因斯坦从新的观点独立地导出了这个变换式。1853～1928

获1902诺贝尔奖P(x,y,z;t)(x',y',z';t')

OSO'S'正变换：逆变换：时空坐标变换式关于洛伦兹时空坐标变换式的讨论：

（1）因时空坐标都是实数，故为实数，要求v≤c。可知，物体的速度上限为c，v>c时洛伦兹变换无意义。

（2）v/c<<1时，洛伦兹变换变为伽利略变换.故v<<c叫做经典极限条件。

（3）时空不再是各自独立、绝对的，而是相互联系的。例

两个惯性系S与S’相对速度为0.8c，在S’系中观测，一事件发生在t1’=0s,x1’=0m处，第二个事件发生在t2’=5×10-7s，x2’=-120m处，试求在S系中测得两事件的空间和时间坐标。解

根据洛伦兹变换：

例

地面参照系S中，在x=1.0106m处，于t=0.02s时刻爆炸了一颗炸弹。如果有一沿x轴正方向、以v=0.75c速率运动的飞船，试求在飞船参考系S´中的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点（空间坐标）和时间。若按伽利略变换，结果又如何？解由洛仑兹变换式可求出在飞船系S´中测得炸弹爆炸的空间、时间分别为：x´=x-vt=1106-0.7531080.02=-3.50106m由伽利略变换式可得：t´=t=0.02s显然与洛仑兹变换所得结果不同。

两个事件之间的时间间隔和空间间隔都是相对的，随观察者所在的惯性系不同而不同。三洛伦兹速度变换式

（1）ux<<c，v<<c时，洛伦兹变换伽利略变换.。

（2）c与v无关，光速不变

（3）运动速度的上限是c讨论：例在S系测得光信号速度为c，求在相对S沿x

方向以v

匀速运动的

S系测得光信号的速度。vc光信号S’

：ux’=？S

：ux=c！