電動力學六一相對論實驗基礎

1、第六章 狹義相對論1物理規(guī)律相對于一定參考系進行表述宏觀電磁場的普遍規(guī)律麥克斯韋方程組在哪些參考系中成立?參考系變換時，基本規(guī)律的形式如何改變?基本物理量E和B如何變換?2這個問題的解決是和新時空觀的建立聯(lián)系在一起的。人們在研究高速運動現(xiàn)象，特別是電磁波的傳播現(xiàn)象時，揭示了舊時空觀的局限性，建立了新的時空觀。電動力學參考系問題是一個很基本的物理問題3 相對論主要是關于時空的理論。相對論時空觀的建立是人們對物理現(xiàn)象認識上的一個飛躍。相對論對近代物理學的發(fā)展，特別是核物理和高能物理的發(fā)展起著重大作用?，F(xiàn)在相對論已經(jīng)成為物理學的主要基礎之一。4狹義相對論：局限于慣性參考系的理論廣義相對論：推廣到一般

2、參考系和包括引力場在內的理論本章僅限于討論狹義相對論5狹義相對論的主要內容(1) 慣性參考系之間時空坐標的洛倫茲變換及其物理意義,這是相對論時空觀的集中反映。(2) 物理規(guī)律在任意慣性系中可表為相同形式,即物理規(guī)律的協(xié)變性。協(xié)變性要求是對各種場和粒子間相互作用規(guī)律的探索的主要理論指導之一。6(4) 把力學基本規(guī)律推廣為協(xié)變性的相對論力學。由此得到相對論的質量、能量和動量的關系。這些關系是原子能應用的主要理論基礎，是解決高能粒子運動和轉化過程的運動學問題的主要工具。(3) 把電動力學基本規(guī)律麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式表為協(xié)變形式，從而使電動力學成為明顯相對論性的理論，可用來解決任意速度帶電粒子

3、與電磁場的相互作用問題。7 首先從實驗事實出發(fā)，引入相對論的兩個基本原理相對性原理和光速不變原理，由此導出時空坐標的洛倫茲變換式，并著重討論相對論的時空概念。 本章闡述狹義相對論的基本內容。8 然后根據(jù)相對論時空觀解決電動力學的參考系問題,把電動力學基本方程表為適用于一切慣性參考系的形式,并導出勢和電磁場的變換關系。 最后我們把力學規(guī)律推廣為相對論協(xié)變形式, 并討論相對論質量、能量和動量關系。96.1 相對論的實驗基礎10關于電磁現(xiàn)象，人們從長期實踐中總結出電磁場的基本規(guī)律，在此基礎上必然提出參考系問題，即所總結出來的電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律究竟適用于什么參考系。1. 相對論產(chǎn)生的歷史背景經(jīng)典力學根

4、據(jù)實踐經(jīng)驗引入了慣性參考系力學的基本運動定律對所有慣性系成立11參考系問題在電動力學中由于下述原因而變得更為突出從電磁現(xiàn)象總結出來的麥克斯韋方程組，可以得到波動方程，并由此波動方程得出電磁波在真空中的傳播速度為c。按照舊時空概念，如果物質運動速度相對于某一參考系為c，則變換到另一參考系時，其速度就不可能沿各個方向都為c。12從舊概念出發(fā),電磁波只能夠對一個特定參考系的傳播速度為c，因而麥氏方程組也就只能對該特殊參考系成立。如果確是這樣，則經(jīng)典力學中一切慣性參考系等價的相對性原理在電磁現(xiàn)象中就不再成立。因而由電磁現(xiàn)象可以確定一個特殊參考系，這樣便可以把相對于該特殊參考系的運動稱為絕對運動。13

5、尋找這個特殊參考系和確定地球相對于這參考系的運動成為上世紀末物理學家的一個重要課題。電磁學的進一步發(fā)展要求解決這一問題,而當時的科學發(fā)展水平已使得精確測量光速成為實際可能。多次實驗結果都沒有發(fā)現(xiàn)任何絕對運動的效應，從而迫使人們接受在真空中光速相對于任何慣性系都等于c的結論。14 光速相對于任何參考系都等于c的事實與舊時空觀概念發(fā)生矛盾。這個矛盾是人們第一次研究高速現(xiàn)象時被揭露出來的。電磁波的傳播就是人們首先接觸到的高速現(xiàn)象。在此以前，實踐中所接觸到的力學現(xiàn)象都屬于低速范圍(與光速相比是非常低速的)，舊時空概念就是從這些低速現(xiàn)象抽象出來的。舊時空觀與新實驗事實的矛盾反映了舊時空觀的局限性，并要求

6、人們根據(jù)新的實踐結果發(fā)展和深化對時空的認識。15 除了電磁現(xiàn)象之外,十九世紀末期人類的實踐活動已開始深入到物質的微觀領域，電子、x射線和放射性的發(fā)現(xiàn)推進了微觀物理學的發(fā)展。 在微觀領域, 人們遇到了許多新的現(xiàn)象和新的規(guī)律性，使經(jīng)典物理學的許多基本概念都發(fā)生動搖，需要予以重新考慮。 16 這個時期物理學面臨著大變革，反映新時空概念的相對論也是在這種情況下提出來的。 相對論和任何其他科學理論一樣，是生產(chǎn)水平和科學技術發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。17 在相對論的建立過程中，人們對電磁場的認識也發(fā)生了一個飛躍。上世紀人們對一切自然現(xiàn)象的從識都帶有機械論的局限性，對電磁現(xiàn)象也是這樣。 人們認為既然聲波水波

7、等都是在某個介質中的機械振動的傳播現(xiàn)象，電磁波也應該是某種充滿空間的彈性介質（ 以太）內的波動現(xiàn)象。18 該彈性介質就構成電磁波傳播的特殊參考系 。特殊參考系被實驗否定的事實以及電磁現(xiàn)象中理的建立，最終破除了電磁波的機械觀,使人們認識到電磁波就是作為物質的電磁場本身的運動形式，而不是在某種“以太”介質的機械運動現(xiàn)象。19 按照舊時空觀念，真空中電磁波沿任意方向的傳播速度只有在某個特殊參考系中才等于c。如果能夠精確測定各個方向光速的差異，就可以確定地球相對與這特殊參考系的運動，或者說相對于“以太”的運動。 2.相對論的實驗基礎 20 邁克爾孫一莫來（Michelson一Morlevy）實驗（18

8、87年）是測量光速沿不同方向的差異的主要實驗。 首先我們對地球運動所引起的效應作一數(shù)量級估計。 地球繞太陽運動的速度約為30 km/s，因而地球相對于“以太”參考系的運動速度最小應有同一數(shù)量級。21 根據(jù)理論推算（由以下的推導可以看出），當整個實驗在地球上進行時，由于地球“絕對運動”所引起的可觀測效應只有(/c)2的數(shù)量級即10-8 數(shù)量級。 因此，如果要設計一個實驗觀察地球絕對運動的效應，該實驗應達到10-8的精確度。19世紀末的科學發(fā)展水平已使得這種精密測定成為可能。22邁克爾孫一莫來實驗裝置。由光源S發(fā)出的光線在半反射鏡M上分為兩束，一束透過M，被M1 反射回到M，再被M反射而達目鏡T；

9、另一束被M反射至M2 ，再反射回M而直達目鏡T。為敘述簡單,設調整兩臂長度使有效光程MM1=MM2=l。設地球相對于“以太”的絕對運動速度沿MM1方向,則由于光線MM1M與MM2M的傳播時間不同,因而有光程差,在目鏡T中將觀察到干涉效應。23用經(jīng)典速度合成法則可以計算出光線的傳播時間。經(jīng)典速度合成法則如圖所示。圖中表示觀察者相對于以太的運動速度，u表示觀察者參考系中所看到的沿方向傳播的光速，c是以太參考系的光速。因此，在地球上觀察到沿方向傳播的光速為c- ，逆著方向傳播的光速為c+ ，而垂直于方向傳播的光速為(c2- 2)1/2。因此，光線MM1M的傳播時間為24光線MM2M的傳播時間兩束光的

10、光程差把儀器轉動90,兩束光位置互換，應該觀察到干涉條紋移動個數(shù)25 利用多次反射可以使有效臂長l達到10米左右，510-7 m，(v/c)2 10-8.干涉條紋應該移動0.4左右，而實驗觀察到的上限僅為0.01個。 因此，邁克爾孫一莫來實驗否定了地球相對于以太的運動，否定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。26 自從第一次實驗之后，不同的實驗工作者還進行過多次邁克爾孫一莫來實驗，以不斷提高的精度否定了地球相對于以太的運動。除了這些用光學方法做的實驗之外，近年還用其他技術做過類似的實驗，如1958年用微波激射所做的實驗和1970年用穆斯堡爾效應所做的實驗。這兩實驗定出地球相

11、對于以太運動速度的上限分別為310-2km/s和510-5km/s。綜合所有實驗結果，我們可以肯定實際上不存在地球相對于以太的運動。27邁克爾孫實驗否定了特殊參考系的存在, 表明光速不依賴于觀察者所在參考系。用星光做光源的實驗還證明了光速也不依賴于光源相對于觀察者的運動。28關于光速和光源運動無關的另一實驗證據(jù)是對雙星運動的觀測。雙星繞其質心運動,若光速依賴于光源速度的話,則雙星中向著地球運動的一顆星發(fā)出的光將比另一顆星發(fā)出的光傳播速度較快,因而在地球上觀察到的雙星運動軌道將受到歪曲。實際沒有觀察到這種情況,表明兩顆星發(fā)出的光的傳播速度是一樣的。29 近年來用高速運動粒子作為光源進行實驗,對光

12、速不依賴于光源運動提供更精確的實驗檢驗 。實驗所用的光源為0介子，它是在高能質子與 質子碰撞中產(chǎn)生出來的一種不穩(wěn)定粒子，它的質量為電子質量的264.12倍，它的壽命為0.8710-6s，主要衰變?yōu)閮蓚€光子其中表示光子。在Alvager等人所做的實驗中，0介子以速度0.9975c運動，在運動中衰變?yōu)閮蓚€光子。實驗測定沿0介子運動方向放出的光子速度為(2.99770.0004)108m/s，與用靜止光源測得的光速一致。30 到目前為止,所有實驗都指出光速不依賴于觀察者所在的參考系,而且與光源的運動速度無關。光速不變性是迄今人們認識到的電磁現(xiàn)象的一條基本規(guī)律。真空中的光速c是最基本的物理常量之一，它是在任意慣性參考系中測出的真空中電磁波的傳播速度。 除了檢驗光速不變性的實驗之外，對其他相對論效應都有實驗檢驗，這些效應及其檢驗將在本章以后個節(jié)中加以闡述。31一些較為重要的實驗(1) 橫向多普勒(Doppler)效應實驗,證實相對論的運動時鐘延緩效應(3) 。(2) 高速運動粒子壽命的測定,證實時鐘延緩效應(3) 。(3)攜帶原子鐘的環(huán)球飛行實驗,證實狹義相對論和廣義相對論的時鐘延緩總效應。(4)相對論質能關系和運動學的實驗檢驗。原子核能的利用完全證實相對論質能關系。高能物理學中各種粒子的衰變、產(chǎn)生、碰撞和轉化過程服從相對論的能量和動量守恒定律。相對論運動學已成為分