第十九章 狭义相对论基础

1、相对论、相对论、十九世纪末，牛顿定律在所有领域都取得了巨大的成功。 本文建立了Maxwell方程，成功地解释了毋庸赘言分子在机械运动方面的物理、温度、压力和瓦斯气体系统内能，并对所有电磁现象进行了估计。 另外，还发现了力、电、光、音等遵循的法则即能量转化和保存的法则。 当时许多物理学家沉醉在这些个的成绩和胜利之中。 他们认为物理学结束了。 相对论，1900年英吉利物理学家开尔文在一篇展望20世纪物理学发展的文章中说：也就是说，物理学已经没有什么新的了，下一代做的实验再做一次，实验数据的小数点后面加了几位，但是，开尔文只是重视现实和视力的科学家，在上述文章中他什么是开尔文相对论？ 热辐射实验、迈

2、克尔逊-莫雷实验，其后的事实证明，这两朵乌云发展成一场革命风暴，乌云落在一场春雨上，倾注着两朵花。相对论、平板支撑量子力学的诞生、相对论的诞生、经典力学、量子力学、相对论、微观领域、高速领域、今天介绍的相对论、相对论、狭义相对论的广义相对论的分析：相对论从根本上改变了旧经典的时空观，19 1伽利略变换、古典力学时空观力学相对论、物理学上牛顿运动定律所应用的参考对于某个惯用语进行匀速直线运动的所有参考用语，因为牛顿运动定律也同样适用，所以也是惯用语。 也就是说，在研究某一力学现象时，无论采用哪个惯性系统，该现象的基本规律的记述都是一样的。 这就是经典力学的相对原理，也可以表现为所有的惯用语是等同

3、的。 经典力学的相对原理要求：记述力学基本规律的公式从一个惯性系换算成另一个惯性系时，形式不变。 伽利略变换满足了这个换算关系。 伽利略变换为1个坐标系的某个事件用4个坐标x，y，z，t记述，称为时空间坐标。 s系统为惯性参照系，s系统相对于s系统沿着x轴以速度u运动，开始时o和o重合。 现在，在两个坐标系中记述的具有p点的上通告的时空间坐标分别是(x，y，z，t )和(x，y，z，t )，在它们之间满足以下关系：u，上述两个方程式分别被称为伽利略变换及其逆变换。 伽利略变换的向量形式是，或、二，经典力学时空观棒长为l，静止在s系。 分别用s系和s系测定了其长度。 由s系测定的：s系测定的：a

4、、b、以上的结果可知，伽利略变换中，所有的惯用语中测定的长度相同，即空间是绝对的，与参照系无关。 有两个事件P1和P2，s系的观察者发生两个事件的时间为t1和t2，s系的观察者发生两个事件的时间为t1和t2，伽利略变换：在两个参照系中时间和时间的间隔相同，即时间是绝对的，时间的间隔也是绝对的，与参照系无关因此得出了经典力学的时间和空间是绝对的，它们是无关的，相互独立的结论。 这样的时空观叫做绝对时空观。 三、从力学相对论原理、伽利略变换推导出速度变换规律，质点的加速度，即质点的加速度在伽利略变换中是不变量。、s系是惯性系，牛顿的第二定律成立，即F=m a被认为是经典力学，m被认为是不变量，与参

5、照系无关，即m=m力f在伽利略变换中也是不变量，即f和a=a，所以F=m a牛顿的第二定律在s系和s系中具有相同形状的同牛顿的第一和第三定律在所有惯性系统具有相同的形状，牛顿定律导出的其他力学定律也必然在所有惯性系统具有相同的形状。 即，在所有的惯导系统中力学规律具有相同的形式，或者伽利略变换时形式不变，这一结论被称为力学相对论，相对论，另一方面，古典时空观的界限由麦斯威尔的光的电磁波理论可知，光在真空中沿所有方向传播的速度等于C=3108 m/s 只要光传播规律能够在一个参照系上成立，就如从经典的速度变换方程中可以看出的那样，在向该参照系等速运动的惯性系统中，光传播规律不再成立，并且沿着所有

6、方向的光速不再相等。 这样一来，在所有的惯导系统中，仅一个参照系的传播规律成立，该参照系可被认为是“绝对静止”的参照系。 什么是“绝对静止”的参照系？ 当时，光波是通过“Ethernet”这种介质传播的，“Ethernet”必须绝对静止，“Ethernet”恐怕是“绝对静止”的参照系。 19 - 2迈克尔森-莫雷实验，迈克尔森莫雷实验，相对论，迈克尔森莫雷实验，当时，很多科学家都试图证实这种绝对静止的参照系，结果如何呢？大家用了九牛二虎的力量，但这个参照系没有找到，因为相对论的生成使实验的这些个实验是一项电磁学实验，其中最著名的是迈克尔森莫雷实验。 实验的大致思维方法是，光对以太网的速度为c，

7、地球在以太网系统中运动，根据高卢的速度变换，地球上被测得的光速是别的值而不是c。 测量是：相对论，迈克尔森莫雷实验，相对论，迈克尔森莫雷实验，迈克尔森干扰作用修正是用干扰作用的方法，通过干扰作用条纹的移动来测量光速。 然而，实验结果没有发现预期的条纹变化。 干扰作用校正是一种高精度的设备，其结果是，无论光在哪个方向传播，光速都只能得到相同的结论。 这个结果，人们感到顺风骑车时和顶风骑车时的风速是一样的。 不合人们的逻辑，被称为实验的零结果。 惊人！ 这意味着经典物理学存在问题，也意味着绝对时间、绝对空间、伽利略变换等存在问题。 乌云一般地复盖着物理学晴朗的天空。 有些人灰心丧气，我们礼拜的牛顿

8、法则搞不好是科学的毁灭吧，相对论，迈克尔森莫雷实验，有些人不相信实验的真实性，继续改进实验设备进行实验。 并且春天做夏作，秋天做冬作在平地上做高山实验的精度越来越高，能实验的人越来越多，进而能大部分的高等院校，结果依然一样，地球上的光速与地球的速度无关。 面对这种情况，一些科学家进行了各方面的推测：光速相对于光源的速度，而相对子弹头的速度与相对枪口的速度相同，用地球上的光源进行实验当然不变。 在天文上的双星实验中被否定了。 以相对论、迈克尔森莫雷实验、f、a星为例，如果光速与光源的运动有关的话，来自e点的光的光速，来自f点的光的光速，由于星星离我们很远，所以如果来自e点的光到达地球，来自f点的

9、光也有可能到达地球。 但是从天文上没有观察过这样的星星。 光速与光源的运动无关。、e、a、相对论、迈克尔森莫雷实验，还有很多解释.但是，总是有不符点。 这样物理学面临危机，对于古典物理的大楼，人们想支撑东墙却推倒了西墙，想支撑西墙却推倒了东墙。 为什么会发生这种现象呢？ 人们因为被传统思想束缚，所以抱有牛顿的时空观。 抱着伽利略坐标变换不放。 看看在这种情况下谁能突破传统思想的束缚，可以在很多实验事实前创造新的理论。 他对任何不推荐的问题都要问一个理由。 例如，他一米是一米，一秒是一秒也怀疑。 “时间，空间，人们都说清楚了，亚麻跌研究，我从小就不理解，长大后还继续研究。 我在研究相对论。”19

10、05年，仅仅26岁的爱因斯坦创立了狭义的相对论(1916年发表了广义的相对论)两个假说。 当然现在不是假设，而是两个基本原理。 谁冲破了旧传统思想的束缚！相对论、迈克尔森莫雷实验、爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955 )、另一方面，爱因斯坦假说(1)相对论原理在所有常规系统中，所有物理定律都具有相同的形状。 这是力学相对原理的推广。 即，在所有的惯用语中，不仅力学法则成立，而且电磁法则、光的法则、原子物理定律及其他物理定律也同样成立。 爱因斯坦认为，相对原理是自然段中的普遍原理，无论是哪一个惯用语中的物理现象，都无法确定该惯用语是静止还是匀速直线运动。 因此，“绝对参照

11、系”不存在，当然“绝对运动”也不存在。19 - 3爱因斯坦假设、洛伦兹变换，例如相互进行匀速直线运动的惯性参照系k和k系、力学规律、k系、电规律、所有的常习性系都相互，半斤八两，这意味着在本参照系的实验中不能确定本参照系及其参照系如何不同。 没有特殊地位的参照系，否定了绝对参照系的存在。 当然找不到电磁波速度有特殊值的参照系。 (2)光速不变原理所有常规系统测得的光在真空中沿各方向传播的速度都相等，都等于c=3108 m/s，与光源和观察者的运动无关。 也就是说，在任何常规系统中测定光速都是c，与光源和参照系的变动无关。 如果不满足光速不变的原理，因果关系就会逆转，但是很可见所未见。 x，这两

12、个原理是爱因斯坦最初作为科学假说提出的，后来经过许多实验证实，成为了世界公认的科学原理。 这两个原理只涉及惯性系，相对论的这一部分被称为狭义相对论，是狭义相对论的基础。 根据这两个原理，可以发表相对匀速直线运动的两个坐标系中时空的新变换关系，将该变换称为洛伦兹变换。 也可以在一定条件下从洛伦兹变换中得到伽利略变换。 注意：a )惯性系b )真空中(介质中的光速v=C/n )，2 )狭义的相对论并不认为是迈克尔逊泄漏实验的直接结果，而是近半个世纪的大量实验总结当然迈克尔逊泄漏实验对狭义的相对论确认有重要影响。 1 )在光速不变原理适用的条件下，与狭义的相对论相对应的坐标变换是什么呢？2 )洛伦兹

13、变换上设置了惯性参照系k，k，如果在空间的某点p发生了什么，那么时空坐标和坐标变换的关系爱因斯坦说：“创造新的理论不像破坏旧仓库，也不像在那里创造摩天大楼。像爬山一样，越爬越能得到新的视野，并且显示出我们的出发点和周围广阔地区的意外联系。 但是，我们出发的地方还在那里，虽然还可以看见，但是出现得更小，只不过是我们克服种种障碍登上山顶得到的广阔视野中的一小部分。 牛顿定理和伽利略变换毕竟是慢速和客观的反映，所以新变换必须是慢速的，也就是说，有时回到伽利略变换，让我们先看看新变换应该是什么样的： x坐标变换。 低速状态下的变换为“GT”，同样逆变换也应该是线性的，另外，由于任何参照系都是平均权重，

14、所以从k系变换为k系还是从k系变换为k系必须相同。 因此，由于每个参照系都是平权，所以从k系统到k系统的转换或者从k系统到k系统的转换应该不会改变。 因此，将光速不变的原理： (3)式平方、(4)式平方、(5)式=(6)式、(4)式代入(7)式、接着求时间变换的： (12 )、接着求时间变换的(12 )式3360、(12 )或3360，以上的公式总括起来对于以上这样的o点，在时刻t:s系： x=0 S系： x - u t=0空间上相同的点，2个数值在云同步中为0，在它们之间必定具有线性关系：对于o点，存在时刻t:s系： x=0 S系： x u t=0，即，k=k，因此在上下假设P(x，y，z，

15、t) (x，y，z，t )和t=t=0，则o点和o点重叠，并且通过将k值代入等式(1)获得的两个坐标之间的变换关系：上述两个等式是通过消除x或x获得的时间之间的变换关系：洛伦兹变换的正、逆变换：零伽利略变换是洛伦兹变换低速时的近似式。 可以看出洛伦兹变换具有更普遍的意义。 在u c的情况下变成虚数，劳伦茨变换失去意义。 所以，任何物体的速度都不能大于光速c。 光速是速度的极限。 洛伦兹变换变成了伽利略变换：这时，在本节中，从洛伦兹变换式导出并发性的相对性、时间间隔的相对性(即“时间延迟”、“时间校正延迟”)、空间的相对性(即“长度收缩”)，进行19-4狭义相对论的时空观，一、空间的相对用相对静止参照系测得的物长、用相对运动参照系测得的物长，根据以上的分析可知，用相对物体静止的参照系测得的物长称为物的固有长，这是测得的物长的最大值。 对于物体的运动，用惯用语测量的物体的长度在运动方向上变短是相对论的长度收缩效果。 注意：长度收缩效果仅在有相对运动的方向上发生。例如，如果地球上的物体的长度以1米l=1 m、宇宙飞船以u=0.8C的速度相对于地球在物体的长度方向上移动，则用宇宙飞船测得的物体的长度变短，此时，同样如果宇宙飞船上的物体的长度为1米l=1 m，则在地球上测得的长度仍变短，仍然存在例如，当原长度15m的宇宙飞船以v9103m/s的速度相对于地面等速飞行时，从地面进行测量，其长