相对论01zyc.ppt

1、19世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影,第章 狭义相对论基础,相对论：给出了高速运动物体的力学规律；并从根本上改变了许多世纪以来形成的时空观和运动观，建立了新的时空概念；揭示了质能关系，并开始了万有引力本质的研究。,相对论分：狭义相对论 广义相对论, 3.1 力学的相对性原理,研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件,牛顿力学的绝对时空：长度和时间的测量与参照系无关！,.1.1 伽利略变换,在不同的惯性系中， 考察同一物理事件。,问题：,设：开始 t=t=0 时，O、O重合,t时刻，物体到达P点,分量式:,正变换,逆变换,结论：在两个惯性系中,加速度变换,.1.2 经典力学的相对性原理,牛顿

2、力学：,相互作用是客观的，分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关。,宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。,或 牛顿力学规律是伽利略不变式。,相对性原理：力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的 规律；或说，研究力学规律时，一切惯性系 都是等价的。,如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变,.1.3 经典力学的时空观,说明：空间（x, y, z)与时间t 彼此独立，互不联系。任何事件 所经历的时间间隔有绝对不变的量值；任何两点间的 距离（即空间间隔）也有绝对不变的量值，它们与参 照系的选择或观测者的运动状态无关。,狭义相对论产生的历史背,1.

3、伽利略速度变换的困惑,试计算球被投出前后的瞬间，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),一、设想两个人玩排球，甲击球给乙。乙看到球是因为球发出的光到达了乙的眼睛。甲乙两人之间的距离为 ,球发出的光相对于它的传播速度为c 。,在甲即将击球之前，球暂时处于静止状态，球发出的光相对于地面的传播速度是c ，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚t =/c。在极短冲击力作用下，球出手时速度达到 v，按上述经典的合成规律，此刻由球发出的光相对于地面的速度为c+v ，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚t ,=/c+v,显然,t t ,这就是说,乙先看到球出手,后看到甲即将击球,这种先后颠倒的现象谁也

4、没有看到过。,二、 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 .,物质飞散速度,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 .,实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?,理论计算观察到超新性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,2.电磁理论与经典力学的矛盾,19世纪,一些人认为电磁波和机械波一样

5、,是在某一种媒质中传播的,该媒质被称为“以太”。认为以太是绝对静止的,并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极大的弹性模量,但又不产生任何阻力等一些特性。,在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地球,地球以怎样的速度在以太的海洋中航行,在其中飞行的地球上应该感到迎面吹来的以太风。如果在地面上让光线在平行和垂直于以太风的方向上传播,它们应有不同的速度。,“以太”假说使麦克斯韦电磁理论和牛顿力学发生矛盾。设有一个电磁信号,以速度 u 相对于以太传播,取以太为惯性系S,则在S系中测得光速为 c ,按伽利略变换,在以恒定速度u 相对以太作匀速直线运动的另一惯性系S中观测者,测得光速为c u (正负号分

6、别相对于u 和c 的方向相反和相同),即麦克斯韦方程组中的光速在不同的惯性系中不具有等价性。这样就出现了电磁定律和经典力学的基础-伽利略变换之间的矛盾。如何解决这一矛盾,当时有如下三种不同意见:,3.电磁理论与经典力学矛盾处理的三种意见,认为只存在一种适用于力学规律的相对性原理,但不适用于电磁学。在电磁现象中存在一个特别优越的惯性系以太 ,只有在以太这个绝对静止的参照系中麦克斯韦方程中的光速 取值为,即在以太参考系中光速各向同性,在其它性中光速不满足各向同性。,认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,但电磁理论应当加以修正。,认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,

7、但牛顿力学应当加以修正。,19世纪的大多数物理学家为解决这个矛盾都选择了前两种途径,即认为伽利略变换是正确的,以太也是存在的 由此引出了历史上著名的迈克尔逊-莫雷实验。,1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷一起完成的就是这样一种实验。实验的结果是否定的,测不到想象中的“以太风”对光速产生的任何影响。,几代科学家为了找到“以太”设计了各种实验，其中最著名的实验即为：迈克尔逊 莫雷实验,由经典力学时空观，时间和空间与观测者无关，是绝对不变的。可设想：在所有的惯性系中一定存在一个相对空间静止的参照系，而由力学相对性原理可知，不可能用力学方法判断哪一个参照系是绝对静止的。这就促使人们用其它方法来寻找

8、绝对参照系。,. 迈克尔逊 莫雷实验,测出地球相对“以态”的运动效应。, 3. 狭义相对论基本原理与洛伦兹坐标变换式,设：PM1=PM2=L，仪器相对地球静止， 地球相对“以太”速度为u,利用伽利略变换可得：,光由PM1P所用时间,光由PM2P所用时间，由于装置随地球运动，该光线所走的实际光路如下图所示。,由几何关系：,两光线的时间差：,光程差：,将整个装置转900，此时，两光线正好互换，所需时间差：,光 程 差：,转动前后总的光程差：,转动前后条纹移动数：,若L=11m , =5.910-7m (Na光）, u=30km/s ,则有 N=0.37 ! 结果：条纹不动！,对于迈克耳逊莫雷实验，

9、玻恩总结说： “光和电磁力除非与物体相联系是永不可能观察到的。没有任何物质的空洞根本不是观察的对象。从现在起原来被认为是实物的以太从理论中消失了”。,迈克耳逊莫雷实验的结果否定了以太的存在!,.2.狭义相对论基本假设 洛仑兹变换,牛顿力学的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 光速C 在哪个参考系中测的? 迈克耳逊 莫雷实验的 0 结果，当时 被形容为“物理学晴朗天空上出现的一朵乌云” 3) 高速运动的粒子,与参照系运动无关!,.2. 狭义相对论的基本假设,1905年在德国物理学杂志上发表了他的首篇相对论文章论动体的电动力学，在这里他把下面的两个基本假 设作为相对论理论的出发点,（1

10、）相对性原理：物理学定律在所有惯性系中都是相同的 即：描述物理学现象所有惯性系都是等 价的 。（数学形式）,（2）光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速各向 相同的量值c ，与光源的运动无关。,讨论,爱因斯坦的理论是牛顿理论的彻底取代。 光速不变原理与牛顿力学是完全抵触的，因此必须把狭义相对论看作是对牛顿力学的彻底取代，而不是它的推广。,2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对,3) 观念上的变革,.2. 洛仑兹变换,分别在两个参考系中测量同一事件的坐标和时间之间的关系。,如图，S、S系在t=0时刻O、O重合,由光速不变原理和相对性原理可推出坐标变换,正变换,逆变换,上述两式称为洛仑兹

11、变换，或狭义相对论时空变换式,讨论： (1)当uc 时，洛仑兹变换伽利略变换 (2)由洛仑兹变换可知，u不可能大于c ,即 真实物体的运动速度永远不可能大于光速。 更精确地说，能量的传递速度永远不可能 大于光速。,可以简化表示上面的两个变换式,洛仑兹速度变换：,由洛仑兹变换知,正变换,逆变换,例1、设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行， 如果这时 从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速度为 0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？,解：,选飞船参考系为 S 系,地面参考系为 S 系,习题2、以速度u在x轴方向运动的粒子在y轴方向上发射一光 子，求地面观察者测得的光子的速度的大小和方向。,解：设地面为S系，运动的粒子为S系。在S系