Chapter6-1(相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ))

1、第 六 章Special relativity電動(dòng)力學(xué)2005世界物理年 紀(jì)念愛(ài)因斯坦紀(jì)念愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論誕生狹義相對(duì)論誕生100周年與愛(ài)因周年與愛(ài)因斯坦逝世斯坦逝世50周年。周年。 讓 物 理 走 近大眾，讓世界擁抱物理主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 相對(duì)論的基本原理相對(duì)論的基本原理 洛倫茲變換洛倫茲變換 相對(duì)論的四維形式相對(duì)論的四維形式 相對(duì)論的時(shí)空理論相對(duì)論的時(shí)空理論 相對(duì)論力學(xué)相對(duì)論力學(xué) 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 狹義相對(duì)論的重點(diǎn)與難點(diǎn)狹義相對(duì)論的重點(diǎn)與難點(diǎn)本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)：1 1、同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)鐘延緩效應(yīng)的相

2、對(duì)性；、同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)鐘延緩效應(yīng)的相對(duì)性；2 2、相對(duì)論四維形式的理解；、相對(duì)論四維形式的理解；3 3、電動(dòng)力學(xué)相對(duì)論不變性的導(dǎo)出過(guò)程、電動(dòng)力學(xué)相對(duì)論不變性的導(dǎo)出過(guò)程。* * 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 19 19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。典物理學(xué)已趨于成熟。兩朵烏云：兩朵烏云： 黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn) 近代物理學(xué)的兩近代物理學(xué)的兩大支柱，逐步建立大支柱，逐步建立了新的物理理論。了新的物理理論。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 8物理規(guī)律物理規(guī)律相對(duì)于一定參考系進(jìn)行

3、表述相對(duì)于一定參考系進(jìn)行表述宏觀電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律宏觀電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組在哪些參考系中成立在哪些參考系中成立?參考系變換時(shí)，基本規(guī)律的形式如何改變參考系變換時(shí)，基本規(guī)律的形式如何改變?基本物理量基本物理量E和和B如何變換如何變換?狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論9這個(gè)問(wèn)題的解決是和新時(shí)空觀的建立聯(lián)系這個(gè)問(wèn)題的解決是和新時(shí)空觀的建立聯(lián)系在一起的。人們?cè)谘芯扛咚龠\(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，特在一起的。人們?cè)谘芯扛咚龠\(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，特別是電磁波的傳播現(xiàn)象時(shí)，揭示了舊時(shí)空別是電磁波的傳播現(xiàn)象時(shí)，揭示了舊時(shí)空觀的局限性，建立了新的時(shí)空觀。觀的局限性，建立了新的時(shí)空觀。電動(dòng)力學(xué)電動(dòng)力學(xué)參考系問(wèn)題是一個(gè)很基本的物理問(wèn)題

4、參考系問(wèn)題是一個(gè)很基本的物理問(wèn)題10 相對(duì)論主要是關(guān)于時(shí)空的理相對(duì)論主要是關(guān)于時(shí)空的理論。相對(duì)論時(shí)空觀的建立是人們對(duì)論。相對(duì)論時(shí)空觀的建立是人們對(duì)物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。相對(duì)物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。相對(duì)論對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展，特別是核論對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展，特別是核物理和高能物理的發(fā)展起著重大作物理和高能物理的發(fā)展起著重大作用?，F(xiàn)在相對(duì)論已經(jīng)成為物理學(xué)的用?，F(xiàn)在相對(duì)論已經(jīng)成為物理學(xué)的主要基礎(chǔ)之一。主要基礎(chǔ)之一。11狹義相對(duì)論：局限于慣性參考系狹義相對(duì)論：局限于慣性參考系的理論的理論廣義相對(duì)論：推廣到一般參考系廣義相對(duì)論：推廣到一般參考系和包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論和包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論本章僅限于討論

5、狹義相對(duì)論本章僅限于討論狹義相對(duì)論12狹義相對(duì)論的主要內(nèi)容狹義相對(duì)論的主要內(nèi)容(1) (1) 慣性參考系之間時(shí)空坐標(biāo)的洛慣性參考系之間時(shí)空坐標(biāo)的洛倫茲變換及其物理意義倫茲變換及其物理意義, ,這是相這是相對(duì)論時(shí)空觀的集中反映。對(duì)論時(shí)空觀的集中反映。(2) (2) 物理規(guī)律在任意慣性系中可表為物理規(guī)律在任意慣性系中可表為相同形式相同形式, ,即物理規(guī)律的協(xié)變性。即物理規(guī)律的協(xié)變性。協(xié)變性要求是對(duì)各種場(chǎng)和粒子間相協(xié)變性要求是對(duì)各種場(chǎng)和粒子間相互作用規(guī)律的探索的主要理論指導(dǎo)互作用規(guī)律的探索的主要理論指導(dǎo)之一。之一。13(4) (4) 把力學(xué)基本規(guī)律推廣為協(xié)變性的相對(duì)把力學(xué)基本規(guī)律推廣為協(xié)變性的相對(duì)論

6、力學(xué)。由此得到相對(duì)論的質(zhì)量、能論力學(xué)。由此得到相對(duì)論的質(zhì)量、能量和動(dòng)量的關(guān)系。這些關(guān)系是原子能量和動(dòng)量的關(guān)系。這些關(guān)系是原子能應(yīng)用的主要理論基礎(chǔ)，是解決高能粒應(yīng)用的主要理論基礎(chǔ)，是解決高能粒子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的主子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的主要工具。要工具。(3) (3) 把電動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律把電動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律麥克斯韋方麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式表為協(xié)變形式，程組和洛倫茲力公式表為協(xié)變形式，從而使電動(dòng)力學(xué)成為明顯相對(duì)論性的從而使電動(dòng)力學(xué)成為明顯相對(duì)論性的理論，可用來(lái)解決任意速度帶電粒子理論，可用來(lái)解決任意速度帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用問(wèn)題。與電磁場(chǎng)的相互作用問(wèn)題。14 首先從實(shí)驗(yàn)事

7、實(shí)出發(fā)，引入相首先從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，引入相對(duì)論的兩個(gè)基本原理對(duì)論的兩個(gè)基本原理相對(duì)性原理相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚纱藢?dǎo)出時(shí)空坐和光速不變?cè)?，由此?dǎo)出時(shí)空坐標(biāo)的洛倫茲變換式，并著重討論相標(biāo)的洛倫茲變換式，并著重討論相對(duì)論的時(shí)空概念。對(duì)論的時(shí)空概念。 本章闡述狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容。本章闡述狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容。15 然后根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀解決電然后根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀解決電動(dòng)力學(xué)的參考系問(wèn)題動(dòng)力學(xué)的參考系問(wèn)題, ,把電動(dòng)力學(xué)基把電動(dòng)力學(xué)基本方程表為適用于一切慣性參考系本方程表為適用于一切慣性參考系的形式的形式, ,并導(dǎo)出勢(shì)和電磁場(chǎng)的變換關(guān)并導(dǎo)出勢(shì)和電磁場(chǎng)的變換關(guān)系。系。 最后我們把力學(xué)規(guī)律推廣為相最后

8、我們把力學(xué)規(guī)律推廣為相對(duì)論協(xié)變形式對(duì)論協(xié)變形式, , 并討論相對(duì)論質(zhì)量、并討論相對(duì)論質(zhì)量、能量和動(dòng)量關(guān)系。能量和動(dòng)量關(guān)系。166.1 6.1 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)17關(guān)于電磁現(xiàn)象，人們從長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)出關(guān)于電磁現(xiàn)象，人們從長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)出電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上必然提出電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上必然提出參考系問(wèn)題，即所總結(jié)出來(lái)的電磁現(xiàn)象的參考系問(wèn)題，即所總結(jié)出來(lái)的電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律究竟適用于什么參考系。基本規(guī)律究竟適用于什么參考系。1. 相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)引入了慣性參考系根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)引入了慣性參考系力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)定律對(duì)所有慣性

9、系成立力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)定律對(duì)所有慣性系成立18參考系問(wèn)題在電動(dòng)力學(xué)中由于下述參考系問(wèn)題在電動(dòng)力學(xué)中由于下述原因而變得更為突出原因而變得更為突出從電磁現(xiàn)象總結(jié)出來(lái)的麥克斯韋方程組，從電磁現(xiàn)象總結(jié)出來(lái)的麥克斯韋方程組，可以得到波動(dòng)方程，并由此波動(dòng)方程得出可以得到波動(dòng)方程，并由此波動(dòng)方程得出電磁波在真空中的傳播速度為電磁波在真空中的傳播速度為c c。按照舊。按照舊時(shí)空概念，如果物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于某一時(shí)空概念，如果物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于某一參考系為參考系為c c，則變換到另一參考系時(shí)，其，則變換到另一參考系時(shí)，其速度就不可能沿各個(gè)方向都為速度就不可能沿各個(gè)方向都為c c。19從舊概念出發(fā)從舊概念出發(fā),電磁波

10、只能夠?qū)σ粋€(gè)特電磁波只能夠?qū)σ粋€(gè)特定參考系的傳播速度為定參考系的傳播速度為c，因而麥?zhǔn)戏?，因而麥?zhǔn)戏匠探M也就只能對(duì)該特殊參考系成立。如程組也就只能對(duì)該特殊參考系成立。如果確是這樣，則經(jīng)典力學(xué)中一切慣性參果確是這樣，則經(jīng)典力學(xué)中一切慣性參考系等價(jià)的相對(duì)性原理在電磁現(xiàn)象中就考系等價(jià)的相對(duì)性原理在電磁現(xiàn)象中就不再成立。因而由電磁現(xiàn)象可以確定一不再成立。因而由電磁現(xiàn)象可以確定一個(gè)特殊參考系，這樣便可以把相對(duì)于該個(gè)特殊參考系，這樣便可以把相對(duì)于該特殊參考系的運(yùn)動(dòng)稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。特殊參考系的運(yùn)動(dòng)稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。20 尋找這個(gè)特殊參考系和確定地球相對(duì)尋找這個(gè)特殊參考系和確定地球相對(duì)于這參考系的運(yùn)動(dòng)成為上世紀(jì)末物

11、理學(xué)家于這參考系的運(yùn)動(dòng)成為上世紀(jì)末物理學(xué)家的一個(gè)重要課題。電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展要的一個(gè)重要課題。電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展要求解決這一問(wèn)題求解決這一問(wèn)題, ,而當(dāng)時(shí)的科學(xué)發(fā)展水平而當(dāng)時(shí)的科學(xué)發(fā)展水平已使得精確測(cè)量光速成為實(shí)際可能。多次已使得精確測(cè)量光速成為實(shí)際可能。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，從而迫使人們接受在真空中光速相對(duì)于任從而迫使人們接受在真空中光速相對(duì)于任何慣性系都等于何慣性系都等于c c的結(jié)論。的結(jié)論。21 光速相對(duì)于任何參考系都等于光速相對(duì)于任何參考系都等于c的事實(shí)的事實(shí)與舊時(shí)空觀概念發(fā)生矛盾。這個(gè)矛盾是人們第與舊時(shí)空觀概念發(fā)生矛盾。這個(gè)矛

12、盾是人們第一次研究高速現(xiàn)象時(shí)被揭露出來(lái)的。電磁波的一次研究高速現(xiàn)象時(shí)被揭露出來(lái)的。電磁波的傳播就是人們首先接觸到的高速現(xiàn)象。在此以傳播就是人們首先接觸到的高速現(xiàn)象。在此以前，實(shí)踐中所接觸到的力學(xué)現(xiàn)象都屬于低速范前，實(shí)踐中所接觸到的力學(xué)現(xiàn)象都屬于低速范圍圍(與光速相比是非常低速的與光速相比是非常低速的)，舊時(shí)空概念就，舊時(shí)空概念就是從這些低速現(xiàn)象抽象出來(lái)的。舊時(shí)空觀與新是從這些低速現(xiàn)象抽象出來(lái)的。舊時(shí)空觀與新實(shí)驗(yàn)事實(shí)的矛盾反映了舊時(shí)空觀的局限性，并實(shí)驗(yàn)事實(shí)的矛盾反映了舊時(shí)空觀的局限性，并要求人們根據(jù)新的實(shí)踐結(jié)果發(fā)展和深化對(duì)時(shí)空要求人們根據(jù)新的實(shí)踐結(jié)果發(fā)展和深化對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)。的認(rèn)識(shí)。22 除了電磁

13、現(xiàn)象之外除了電磁現(xiàn)象之外,十九世紀(jì)末十九世紀(jì)末期人類的實(shí)踐活動(dòng)已開(kāi)始深入到物質(zhì)期人類的實(shí)踐活動(dòng)已開(kāi)始深入到物質(zhì)的微觀領(lǐng)域，電子、的微觀領(lǐng)域，電子、x射線和放射性的射線和放射性的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了微觀物理學(xué)的發(fā)展。發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了微觀物理學(xué)的發(fā)展。 在微觀領(lǐng)域在微觀領(lǐng)域, 人們遇到了許多人們遇到了許多新的現(xiàn)象和新的規(guī)律性，使經(jīng)典物理新的現(xiàn)象和新的規(guī)律性，使經(jīng)典物理學(xué)的許多基本概念都發(fā)生動(dòng)搖，需要學(xué)的許多基本概念都發(fā)生動(dòng)搖，需要予以重新考慮。予以重新考慮。 23 這個(gè)時(shí)期物理學(xué)面臨著大變革，這個(gè)時(shí)期物理學(xué)面臨著大變革，反映新時(shí)空概念的相對(duì)論也是在這種反映新時(shí)空概念的相對(duì)論也是在這種情況下提出來(lái)的。情況下提出來(lái)的

14、。 相對(duì)論和任何其他科學(xué)理論一樣，相對(duì)論和任何其他科學(xué)理論一樣，是生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階是生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。段的必然產(chǎn)物。24 在相對(duì)論的建立過(guò)程中，人們對(duì)在相對(duì)論的建立過(guò)程中，人們對(duì)電磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也發(fā)生了一個(gè)飛躍。上世電磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也發(fā)生了一個(gè)飛躍。上世紀(jì)人們對(duì)一切自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)都帶有機(jī)紀(jì)人們對(duì)一切自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)都帶有機(jī)械論的局限性，對(duì)電磁現(xiàn)象也是這樣。械論的局限性，對(duì)電磁現(xiàn)象也是這樣。 人們認(rèn)為既然聲波水波等都是在某個(gè)介人們認(rèn)為既然聲波水波等都是在某個(gè)介質(zhì)中的機(jī)械振動(dòng)的傳播現(xiàn)象，電磁波也質(zhì)中的機(jī)械振動(dòng)的傳播現(xiàn)象，電磁波也應(yīng)該是某種充滿空間的彈性介質(zhì)（應(yīng)該是某種

15、充滿空間的彈性介質(zhì)（ 以以太）內(nèi)的波動(dòng)現(xiàn)象。太）內(nèi)的波動(dòng)現(xiàn)象。25 該彈性介質(zhì)就構(gòu)成電磁波傳播該彈性介質(zhì)就構(gòu)成電磁波傳播的特殊參考系的特殊參考系 。特殊參考系被實(shí)驗(yàn)否。特殊參考系被實(shí)驗(yàn)否定的事實(shí)以及電磁現(xiàn)象理論的建立，定的事實(shí)以及電磁現(xiàn)象理論的建立，最終破除了電磁波的機(jī)械觀最終破除了電磁波的機(jī)械觀,使人們認(rèn)使人們認(rèn)識(shí)到電磁波就是作為物質(zhì)的電磁場(chǎng)本識(shí)到電磁波就是作為物質(zhì)的電磁場(chǎng)本身的運(yùn)動(dòng)形式，而不是在某種身的運(yùn)動(dòng)形式，而不是在某種“以太以太”介質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。介質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。26 按照舊時(shí)空觀念，真空中電磁按照舊時(shí)空觀念，真空中電磁波沿任意方向的傳播速度只有在某個(gè)波沿任意方向的傳播速度只有

16、在某個(gè)特殊參考系中才等于特殊參考系中才等于c。如果能夠精確。如果能夠精確測(cè)定各個(gè)方向光速的差異，就可以確測(cè)定各個(gè)方向光速的差異，就可以確定地球相對(duì)于這特殊參考系的運(yùn)動(dòng)，定地球相對(duì)于這特殊參考系的運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)相對(duì)于或者說(shuō)相對(duì)于“以太以太”的運(yùn)動(dòng)。的運(yùn)動(dòng)。 2. 2.相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 27 邁克爾孫一莫來(lái)（邁克爾孫一莫來(lái)（Michelson一一Morlevy）實(shí)驗(yàn)（）實(shí)驗(yàn)（1887年）是測(cè)量光速年）是測(cè)量光速沿不同方向的差異的主要實(shí)驗(yàn)。沿不同方向的差異的主要實(shí)驗(yàn)。 首先我們對(duì)地球運(yùn)動(dòng)所引起的效首先我們對(duì)地球運(yùn)動(dòng)所引起的效應(yīng)作一數(shù)量級(jí)估計(jì)。應(yīng)作一數(shù)量級(jí)估計(jì)。 地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的地球繞太

17、陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的速度約為速度約為30 km/s，因而地球相對(duì)于，因而地球相對(duì)于“以太以太”參考系的運(yùn)動(dòng)速度參考系的運(yùn)動(dòng)速度 最小應(yīng)有同最小應(yīng)有同一數(shù)量級(jí)。一數(shù)量級(jí)。28 根據(jù)理論推算（由以下的推導(dǎo)可根據(jù)理論推算（由以下的推導(dǎo)可以看出），當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)在地球上進(jìn)行時(shí)，以看出），當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)在地球上進(jìn)行時(shí)，由于地球由于地球“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”所引起的可觀測(cè)所引起的可觀測(cè)效應(yīng)只有效應(yīng)只有( ( /c)/c)2 2的數(shù)量級(jí)即的數(shù)量級(jí)即1010-8-8 數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 因此，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察地因此，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到1010-8-8的精確度。的

18、精確度。1919世紀(jì)末的科學(xué)發(fā)展水平已世紀(jì)末的科學(xué)發(fā)展水平已使得這種精密測(cè)定成為可能。使得這種精密測(cè)定成為可能。29邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)裝置。由邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)裝置。由光源光源S發(fā)出的光線在半反射鏡發(fā)出的光線在半反射鏡M上分為兩束，一束透過(guò)上分為兩束，一束透過(guò)M，被被M1 反射回到反射回到M，再被，再被M反反射而達(dá)目鏡射而達(dá)目鏡T；另一束被；另一束被M反反射至射至M2 ，再反射回，再反射回M而直達(dá)而直達(dá)目鏡目鏡T。為敘述簡(jiǎn)單為敘述簡(jiǎn)單,設(shè)調(diào)整兩臂長(zhǎng)度使設(shè)調(diào)整兩臂長(zhǎng)度使有效光程有效光程MM1=MM2=l。設(shè)地。設(shè)地球相對(duì)于球相對(duì)于“以太以太”的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度速度 沿沿MM1方向方向,則由

19、于光線則由于光線MM1M與與MM2M的傳播時(shí)間不的傳播時(shí)間不同同,因而有光程差因而有光程差,在目鏡在目鏡T中將中將觀察到干涉效應(yīng)。觀察到干涉效應(yīng)。30用經(jīng)典速度合成法則可以計(jì)算出光線的傳播時(shí)間。經(jīng)用經(jīng)典速度合成法則可以計(jì)算出光線的傳播時(shí)間。經(jīng)典速度合成法則如圖所示。圖中典速度合成法則如圖所示。圖中 表示觀察者相對(duì)于以表示觀察者相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度，太的運(yùn)動(dòng)速度，u表示觀察者參考系中所看到的沿表示觀察者參考系中所看到的沿 方方向傳播的光速，向傳播的光速，c是以太參考系的光速。是以太參考系的光速。 cosuuc2222 cossin 222cu因此，在地球上觀察到沿因此，在地球上觀察到沿 方向傳播

20、的光方向傳播的光速為速為c- ，逆著，逆著 方向傳播的光速為方向傳播的光速為c+ ，而垂直于而垂直于 方向傳播的光速為方向傳播的光速為(c2- 2)1/2。因。因此，光線此，光線MM1M的傳播時(shí)間為的傳播時(shí)間為 22221122cclclcclclt 31光線光線MM2M的傳播時(shí)間的傳播時(shí)間 222222122cclclt 兩束光的光程差兩束光的光程差22cltc 把儀器轉(zhuǎn)動(dòng)把儀器轉(zhuǎn)動(dòng)90,兩束光位置互換，應(yīng)該觀兩束光位置互換，應(yīng)該觀察到干涉條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)察到干涉條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)2222cltc 32 利用多次反射可以使有效臂長(zhǎng)利用多次反射可以使有效臂長(zhǎng)l l達(dá)達(dá)到到1010米左右，米左右，5 5

21、1010-7 -7 m m，(v/c)(v/c)2 2 1010-8-8. .干涉條紋應(yīng)該移動(dòng)干涉條紋應(yīng)該移動(dòng)0.40.4左右，左右，而實(shí)驗(yàn)觀而實(shí)驗(yàn)觀察到的上限僅為察到的上限僅為0.010.01個(gè)。個(gè)。 因此，邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)否因此，邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)否定了地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，否定定了地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，否定了特殊參考系的存在，它表明光速了特殊參考系的存在，它表明光速不依賴于觀察者所在參考系。不依賴于觀察者所在參考系。33 自從第一次實(shí)驗(yàn)之后，不同的實(shí)驗(yàn)工作者還自從第一次實(shí)驗(yàn)之后，不同的實(shí)驗(yàn)工作者還進(jìn)行過(guò)多次邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)，以不斷提高進(jìn)行過(guò)多次邁克爾孫一莫來(lái)實(shí)驗(yàn)，以不斷提高的精度否定

22、了地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)。除了這的精度否定了地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)。除了這些用光學(xué)方法做的實(shí)驗(yàn)之外，近年還用其他技些用光學(xué)方法做的實(shí)驗(yàn)之外，近年還用其他技術(shù)做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，如術(shù)做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，如1958年用微波激射所做年用微波激射所做的實(shí)驗(yàn)和的實(shí)驗(yàn)和1970年用穆斯堡爾效應(yīng)所做的實(shí)驗(yàn)。年用穆斯堡爾效應(yīng)所做的實(shí)驗(yàn)。這兩實(shí)驗(yàn)定出地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的上限這兩實(shí)驗(yàn)定出地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的上限分別為分別為310-2km/s和和510-5km/s。綜合所有實(shí)。綜合所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以肯定實(shí)際上不存在地球相對(duì)驗(yàn)結(jié)果，我們可以肯定實(shí)際上不存在地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)。于以太的運(yùn)動(dòng)。34邁克爾孫實(shí)驗(yàn)否定了特殊

23、參考系邁克爾孫實(shí)驗(yàn)否定了特殊參考系的存在的存在, , 表明光速不依賴于觀察表明光速不依賴于觀察者所在參考系。者所在參考系。用星光做光源的實(shí)驗(yàn)還證明了光速用星光做光源的實(shí)驗(yàn)還證明了光速也不依賴于光源相對(duì)于觀察者的運(yùn)也不依賴于光源相對(duì)于觀察者的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。35關(guān)于光速和光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的另一實(shí)驗(yàn)證據(jù)關(guān)于光速和光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的另一實(shí)驗(yàn)證據(jù)是對(duì)雙星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)。雙星繞其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)是對(duì)雙星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)。雙星繞其質(zhì)心運(yùn)動(dòng), ,若光速依賴于光源速度的話若光速依賴于光源速度的話, ,則雙星中向則雙星中向著地球運(yùn)動(dòng)的一顆星發(fā)出的光將比另一顆著地球運(yùn)動(dòng)的一顆星發(fā)出的光將比另一顆星發(fā)出的光傳播速度較快星發(fā)出的光傳播速度較快, ,

24、因而在地球上因而在地球上觀察到的雙星運(yùn)動(dòng)軌道將受到歪曲。實(shí)際觀察到的雙星運(yùn)動(dòng)軌道將受到歪曲。實(shí)際沒(méi)有觀察到這種情況沒(méi)有觀察到這種情況, ,表明兩顆星發(fā)出的表明兩顆星發(fā)出的光的傳播速度是一樣的。光的傳播速度是一樣的。36 近年來(lái)用高速運(yùn)動(dòng)粒子作為光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)近年來(lái)用高速運(yùn)動(dòng)粒子作為光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)光速不對(duì)光速不依賴于光源運(yùn)動(dòng)提供更精確的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)依賴于光源運(yùn)動(dòng)提供更精確的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 。實(shí)驗(yàn)所用的。實(shí)驗(yàn)所用的光源為光源為 0介子，它是在高能質(zhì)子與介子，它是在高能質(zhì)子與 質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生出質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生出來(lái)的一種不穩(wěn)定粒子，它的質(zhì)量為電子質(zhì)量的來(lái)的一種不穩(wěn)定粒子，它的質(zhì)量為電子質(zhì)量的264.12倍，倍，它

25、的壽命為它的壽命為0.8710-6s，主要衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子，主要衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子 0其中其中 表示光子。在表示光子。在Alvager等人所做的實(shí)驗(yàn)中，等人所做的實(shí)驗(yàn)中， 0介子以速度介子以速度0.9975c運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子。運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子。實(shí)驗(yàn)測(cè)定沿實(shí)驗(yàn)測(cè)定沿 0介子運(yùn)動(dòng)方向放出的光子速度為介子運(yùn)動(dòng)方向放出的光子速度為(2.99770.0004)108m/s，與用靜止光源測(cè)得的光速，與用靜止光源測(cè)得的光速一致。一致。37 到目前為止到目前為止,所有實(shí)驗(yàn)都指出光速不依賴于所有實(shí)驗(yàn)都指出光速不依賴于觀察者所在的參考系觀察者所在的參考系,而且與光源的運(yùn)動(dòng)速度而且與光源的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。光速不變性是無(wú)關(guān)。光速不變性是迄今迄今人們認(rèn)識(shí)到的電磁人們認(rèn)識(shí)到的電磁現(xiàn)象的一條基本規(guī)律。真空中的光速現(xiàn)象的一條基本規(guī)律。真空中的光速c是最基是最基本的物理常量之一，它是在任意慣性參考系本的物理常量之一，它是在任意慣性參考系中測(cè)出的真空中電磁波的傳播速度。中測(cè)出的真空中電磁波的傳播速度。 除了檢驗(yàn)光速不變性的實(shí)驗(yàn)之外，對(duì)其除了檢驗(yàn)光速不變性的實(shí)