爱因斯坦的狭义相对论基本内容

1、第八章 相对论的建立和发展,相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学、哲学思想有深远的影响。 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各个分支又一次综合的结果。,相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。” 德布罗意,1.牛顿力学时空观 绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。 牛顿 绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。 牛顿,历史背景：,2、迈克尔逊莫雷实验 由于人

2、们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。,“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的哲学原理一书中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是“以太”。 17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。 麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。,3

3、、真空中的光速 根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。 4、物理学家面临的选择 要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。,第一节 爱因斯坦狭义相对论,一、走在爱因斯坦前面的人,1879年3月14日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。 父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，12岁曾证明勾股定理。 1896年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授

4、的家中请教。另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。,二、爱因斯坦简介,1900年苏黎世联邦工业大学师范系毕业。 1902年 在瑞士联邦专利局工作 1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。 1911年任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应能斯脱的邀请，回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。,1920年应洛伦兹和埃伦菲斯特（即P.厄任费斯脱）的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国不到四个月，第一次世界大战爆发，他投入公开的和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最后建成了

5、广义相对论。 1921年 获诺贝尔物理奖。 1933年 受德国纳粹迫害，移居美国，为普林斯顿研究所研究员。 1940年加入美国国籍。 1955年4月18日去世。,三、相对论的建立 1900年，爱因斯坦大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作当技术员。 在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问

6、题使他不安，这就是绝对参照系中以太的存在。,他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？ 当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的发展中的力学中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。,他的狭义相对论认为“在互相作直线-非加速运动的所有参考系中，自然规律是同样有效的。 ” 它的意思就是：你站在两个互相做直线运动的-非加速的参考系中，

7、你看到的物理现象是相同的。-相对性原理。 他的相对论，把所谓作为光波载体的以太，从物理学世界中清除出去了。 “无以太物理学”乃是爱因斯坦思想的成果。,1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。1905年他发表了有关狭义相对论的三

8、篇文章。,爱因斯坦的相对论认为：光速是一切过程不可能达到的最高临界速度，无论怎样加力，把能量加上去，都不可能使物体达到或超过光速。-这就是光速恒定。 这就引出相对论的两个著名的“佯谬”。 所谓佯谬，就是纯粹从逻辑上对一个理论做结论推导，推导出一个明显不合逻辑或者常识的结论或者两个相互矛盾的结果。 其中一个佯谬是：快速运动着的一把尺子，它跟静止状态相比，在运动方向上长度缩短了。,另外一个佯谬就是：快速运动参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走慢了。-这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。 在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想

9、的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。,激烈的争论没有停息过。到20世纪三十年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这就是说人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系中的时钟变慢了，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。,二、爱因斯坦的狭义相对论基本内容 1.两个基本假设 1905年9月,

10、爱因斯坦26岁,在德国的物理学杂志发表了三篇文章，在文章中提出了两个基本假设： 狭义相对论的相对性原理 光速不变原理,将革命性的时空观引入物理学，虽然它只具有最少的两个基本假设，但它与各种实验都符合。 从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：,表明了时间与空间与运动的不可分割的联系，使牛顿力学得到推广，将时空观普遍化。 2.由狭义相对论引出的观念的变化 同时性的相对性长度收缩与运动有关时间膨胀效应速度变换公式质速关系质能关系能量动量关系 3.狭义相对论是基础牢固，逻辑结构严紧，形式完美的物理理论，成为近代物理的支柱。,三、爱因斯坦的研究特色: 1.对经典理论的大胆怀疑 经过十年的思索,首先看破以太,

11、并最终抛弃了以太,也就是抛弃了绝对运动。 马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。爱因斯坦 相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。,2.博闻苦思，好学进取 16岁时,爱因斯坦就思考: “如果我以速度c追随一条光线运动”，我应当看到什么现象呢？ 爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，想:“若零结果是事实，那地球相对以太运动的想法就是错误的!” 爱因斯坦读了洛仑兹1895年的论文，认为其方程若成立，必然导致光速不变的概念。 电磁感应的现象迫使我假设(狭义)相对性的原理，必须克服的困难在于真空中光速的不变性. 爱因斯坦,爱因斯坦认为:“若光速不变成立，则将出现同时性的相对性。” 就这样，爱因斯坦建立

12、了新的时空观，他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。,3.追求科学理论的和谐与自然 认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。 爱因斯坦在总结回忆时说：“它象在爬山一样，越是往上爬，越是得到宽广的视野，并且越能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外联系。”,四、狭义相对论被承认的曲折经历 1.普遍读不懂，不理解在法国，1910年几乎没有人提到爱因斯坦。 JJ汤姆逊1909年：“以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉191

13、1年：“我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。” 迈克尔逊至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是个怪物。,2.普朗克支持：“如果相对论是正确的，爱因斯坦就是20世纪的哥白尼。”并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现! 3.实验验证1906年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受到考验！但1907年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。,爱因斯坦及论文,1911年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意 爱因斯坦的相对论方面的工作。到了1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物

14、。狭义相对论才开始受到应有的重视。 1921年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖委员会主席奥利维拉为此专门写信给他。,支持相对论的物理学家： 普朗克，当时作为物理学年鉴的主编，认识到爱因斯坦论文的价值，及时给予发表。 普朗克的学生劳厄，在1911年就致力于宣传相对论。 闵可夫斯基，在1908年提出四维空间，使相对论的规律以简洁的形式表达。 泡利，在1921年受他老师的推荐为数学科学百科全书撰写了一篇关于相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至今还是相对论方面的名著之一。 布雪勒，在1908年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与相对论的理论基本相符。,1938年，查恩和斯皮

15、斯重新分析了布雪勒实验，结论更接近相对论的理论。 1940年，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正确性。,第二节 广义相对论,爱因斯坦最初提出的惯性系相对论适用于相对做匀速直线运动的参考系之间，我们称之为狭义相对论。 而事实上，在真实世界中，惯性参考系只是个理想状况。 爱因斯坦不久以后，就得出一个令人沮丧的结论：在狭义相对论的框架下，绝对不可能有完善的重力理论。,1907年，他脑海中突然冒出一个灵感：“一个在半空中坠落的人，完全感觉不到自己的重量，应该觉得自己好象置身于惯性系中。” 根据这个平淡无奇的想法，同年他就写出了第一篇关于广义相对论的论文，提出广义相对论的两个假设： 一、等效原理：加

16、速度造成的“重量感”与真正的重力效应一模一样。 二、广义相对性原理：物理定律在任何参考系中都具有相同形式。,1916年,爱因斯坦完成了广义相对论，提出了三大天文效应，其中之一，引力场将使星光弯曲的现象。 1919年，英国爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食,观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界! 爱因斯坦成为公众瞩目的人。,小插曲：1905年爱因斯坦写的文稿只有三页，当时可以说一文不值，1936年，却价值连城，卖了400万美元，武装了一支支援西班牙反对法西斯独裁的军队。 这几年在黑暗中焦虑的探索，热切地渴望，时而充满自信，时而精疲力竭，而最后终于看到了光明！ 爱因斯坦,一则比喻:

17、 为了使外行更好地理解相对论，一生致力于时间研究的阿尔伯特爱因斯坦有一个广为人知的比喻：“一位先生和一位漂亮女孩在一起呆上一小时，他会感觉像一分钟；但如果让他在火炉子上呆上一分钟，他会感觉比一小时还长。这就是相对论。” 为了简明地解释相对论，这位伟大的理论家曾经亲手做过体验。,下面是他在放热科技上的一篇小文章,关于观测者对时间流逝的感知，参照系是至关重要的，所以观测者的精神状态也许是对时间流逝感知的一个附加因素。因此我努力在两种显著不同的精神状态下研究时间的表观流逝。 实验方法：我需要找到一个火炉子和一个漂亮姑娘。不幸的是，找一个火炉子不那么容易，因为为我做饭的女佣禁止我进入厨房。不过，我设法

18、秘密弄到了一个1924年生产的烤鸡蛋饼的铁篦子。因为该铁篦子能达到很高的温度，完全可以代替火炉子来做试验。因为我目前住在新泽西州，要找一个漂亮姑娘就更成问题了。我认识查理卓别林，去他公司参加过他1931年的电影城市之光（city lights）的开幕式，所以我请求他安排我与他的妻子会一次面。他的妻子、电影明星戈达德有“天仙”之称，也就是说，是位美人，而且是绝色美人。,讨论：我坐火车去纽约见戈达德小姐，我们在中央车站一带的Oyster酒吧见了面。她靓丽又兴奋，当我感觉1分钟过去了的时候，我看了看表，发现已经过了整整57分钟，我把它取整为1小时。我一回到家里，就马上插上鸡蛋饼铁篦子加热，然后穿着裤子和长衬衫坐在上面。当感觉1个小时已经过去的时候，我站起来看了看表，发现实际上还不到1秒钟。为了保持描述这两种环境时的单位一致性，我将就地说成是1分钟。之后，我叫来了一位医生。 结论：在对时间的感知上，观测者的精神状态起着至关重要的作用。,相对论的意义 1.使牛顿的理论二百多年来第一次得到修正，牛顿力学成为相对论的一个分支。 2.使人们对质量、能量、时间、空间和速度等物理量有了一个全新的认识. 3.质能关系式为核能的开发利用奠定了基础。 4.象征着人类在探索自然过程中登上的一座高峰。,一个以