相對(duì)論包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論課件

第六章狹義相對(duì)論Thetheoryofspecialrelativity第六章Thetheoryofspecialrelat第0節(jié)狹義相對(duì)論的提出第0節(jié)一、什么是相對(duì)論相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間的相對(duì)性的理論，在這一理論下，時(shí)間和空間只具有相對(duì)的意義。相對(duì)論包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。分別由愛(ài)因斯坦在1905年和1916年創(chuàng)立。愛(ài)因斯坦（1879-1955）出生于德國(guó)。一、什么是相對(duì)論相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間的相對(duì)性愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介

1879年3月14日出生在德國(guó)烏爾姆城一個(gè)猶太人家中。父親為工程師兼小業(yè)主。不久遷往慕尼黑。他四歲才會(huì)講話，性格孤僻，好幻想，除數(shù)學(xué)以外其它成績(jī)較差，無(wú)中學(xué)畢業(yè)文憑。后來(lái)搬家到意大利。1896年（17歲）進(jìn)瑞士蘇黎士工業(yè)大學(xué)師范系理論物理專業(yè)。4年大學(xué)成績(jī)?nèi)暂^差，但拿到畢業(yè)文憑。大學(xué)期間常獨(dú)自鉆研和做實(shí)驗(yàn)，看了大量科學(xué)書(shū)籍。1900年（21歲）畢業(yè)即失業(yè)，做了許多臨時(shí)工作，1902年（23歲）經(jīng)朋友介紹進(jìn)專利局當(dāng)職員。愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介1879年3月14日出生在德國(guó)烏經(jīng)多年潛心研究，1905年（26歲），除去博士論文外，愛(ài)因斯坦連續(xù)完成了4篇重要論文：

6月，完成題為“論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”的論文，提出了相對(duì)論(即狹義相對(duì)論)；

9月，完成有關(guān)質(zhì)能關(guān)系式的論文，指出能量等于質(zhì)量乘光速的平方E=mc2。其中任何一篇文章都?jí)虻蒙夏弥Z貝爾獎(jiǎng)。

3月，完成解釋光電效應(yīng)的論文，提出光子說(shuō)；5月，完成關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，間接證明了分子的存在；經(jīng)多年潛心研究，1905年（26歲），除去博

1909年（30歲）成為大學(xué)教授。1916年（37歲），愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，提出時(shí)空彎曲的思想，建立起嶄新的時(shí)空觀。1921年（42歲）獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（成功解釋光電效應(yīng)）1923年（44歲）起開(kāi)始研究“統(tǒng)一場(chǎng)”理論。1940（61歲）年加入美國(guó)國(guó)籍。后期寫(xiě)了多部著作，一生發(fā)表論文200多篇。1909年（30歲）成為大學(xué)教授。NatureandNature'slawslayhidinnight:

Godsaid,LetNewtonbe!Andallwaslight.相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別極大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛(ài)因斯坦偉大，但又弄不懂這偉大的內(nèi)容，人們想起了英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句:自然與自然規(guī)律隱藏在黑暗之中上帝說(shuō),“讓牛頓來(lái)吧”,于是一切化為光明。NatureandNature'slawslayhItdidnotlast,

Thedevilhowling,Ho,letEinsteinbe!Restoredthestatusquo.但不久，魔鬼說(shuō),“讓愛(ài)因斯坦來(lái)吧”,于是一切又重新回到黑暗中。Itdidnotlast,但不久，愛(ài)因斯坦1955年4月19日逝世，終年76歲。沒(méi)有舉行葬禮，遺體被火化，沒(méi)有建墳?zāi)?，不立紀(jì)念碑。人類宇宙中有頭等光輝的一顆明星，他的偉大至少可與牛頓相比擬。著名科學(xué)家郎之萬(wàn)對(duì)愛(ài)因斯坦有很高的評(píng)價(jià)：愛(ài)因斯坦1955年4月19日逝世，終年76歲

牛頓認(rèn)為：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著”；“絕對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的”。這就是牛頓力學(xué)的“絕對(duì)時(shí)間”和“絕對(duì)空間”?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》一、牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀

那么，相對(duì)論是如何提出的呢?牛頓認(rèn)為：一、牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀那二、你也可能提出相對(duì)論以甲車(chē)為參考系：乙車(chē)的速度：v乙甲=10米/秒v乙地=v甲地+v乙甲OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)甲、乙兩列火車(chē)從同一地點(diǎn)出發(fā)沿相同方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)，甲車(chē)相對(duì)于地面速度20米/秒，乙車(chē)相對(duì)于地面速度30米/秒，乙車(chē)相對(duì)于甲車(chē)的速度為多少？以地面為參考系：甲車(chē)的速度：v甲地=20米/秒，乙車(chē)的速度：v乙地=30米/秒二、你也可能提出相對(duì)論以甲車(chē)為參考系：乙車(chē)的速度：v乙甲=OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)

S系(建立在地面上)和S

系(建立在甲車(chē)上)的坐標(biāo)軸相互平行,且S

系相對(duì)于S系沿+x

方向以速率u(=v甲地)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)O

和O

重合時(shí)，設(shè)t

=

t=0。令vx=v乙地，v′x=v乙甲vx=u

+

v'x—伽利略變換1.伽利略變換坐標(biāo)變換分量式:速度變換分量式：OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)加速度變換式：由伽利略速度變換可以得出一個(gè)結(jié)論：速度和參考系的選擇有關(guān)。2.伽利略相對(duì)性原理一切力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中是等價(jià)的。在所有慣性系中，力學(xué)定律的表達(dá)形式都相同。例如牛頓第二定律，在S系中表述為在S′系中由于，而力和質(zhì)量與參考系選擇無(wú)關(guān)，因而牛頓第二定律仍可表述為加速度變換式：由伽利略速度變換可以得出一個(gè)

十九世紀(jì)60年代，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論這個(gè)速度是相對(duì)于那個(gè)參考系呢？對(duì)于自由空間真空中的波動(dòng)方程為c=3×108米/秒，稱為光速。3.經(jīng)典電磁學(xué)出現(xiàn)的問(wèn)題十九世紀(jì)60年代，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論這個(gè)速度是

有人提出以太的概念，認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的，以太均勻的分布在宇宙中，密度很小但彈性很大。人們提出一些關(guān)于以太的理論，并試圖證明它的存在。其中最著名的就是麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)。其原理是利用了光波的干涉。

然而麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有證明以太的存在，反而證明以太是不存在的。前面的問(wèn)題又提出來(lái)了，c=3×108米/秒到底是相對(duì)于哪個(gè)參考系的？

另一方面，牛頓運(yùn)動(dòng)定律在伽利略變換下保持形式不變，但麥克斯韋方程組在伽利略變化下不滿足變換不變性。有人提出以太的概念，認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的，以太因此可能存在的問(wèn)題：麥克斯韋方程組是錯(cuò)誤的？相對(duì)性原理不適用于電磁規(guī)律？伽利略變換不適用于電磁規(guī)律？大量理論和實(shí)驗(yàn)證明麥克斯韋方程組是正確的。麥克斯韋方程組在伽利略變化下不滿足變換不變性。因此可能存在的問(wèn)題：麥克斯韋方程組是錯(cuò)誤的？相對(duì)性原理不適用c=3×108m/s相對(duì)于哪個(gè)參考系？相對(duì)性原理不適用于電磁規(guī)律？3.愛(ài)因斯坦假設(shè)(1)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)性原理(2)光速不變假設(shè)

在所有慣性系中，物理定律的表達(dá)形式都相同。

在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的量值c而與參考系的選擇無(wú)關(guān)。

這一原理表明，運(yùn)動(dòng)的描述只有相對(duì)的意義，而絕對(duì)靜止的參考系是不存在的，在設(shè)計(jì)力學(xué)或電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，去尋找某慣性系的絕對(duì)速度是沒(méi)有意義的。不管光源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)如何，在任一慣性系中的觀察者所觀察到的真空中的光速都是相等的。c=3×108m/s相對(duì)于哪個(gè)參考系？相對(duì)性原理不適用于

伽利略變換不滿足愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，因而不再適用于電磁規(guī)律！所以必須尋找新的變換。一場(chǎng)物理學(xué)的革命即將拉開(kāi)序幕。伽利略變換不滿足愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，因而不§6.1相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)§6.1相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)一、歷史背景

19世紀(jì)末期，物理學(xué)家湯姆遜在一次國(guó)際會(huì)議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難?！闭菫榱私鉀Q上述兩問(wèn)題，物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)深刻的革命導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。早在電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有涉及參照系問(wèn)題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空理論討論電動(dòng)學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過(guò)幾十年的探索，在1905年終于由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。一、歷史背景19世紀(jì)末期，物理學(xué)家湯姆遜在一我們知道參照系的選擇是任意的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為慣性系和非慣性系。不同參照系之間時(shí)空坐標(biāo)存在一定的變換關(guān)系，在經(jīng)典力學(xué)中慣性系之間的變換關(guān)系稱為伽利略變換。一、歷史背景光借助“以太”媒質(zhì)傳播，在相對(duì)靜止的“以太”媒質(zhì)中，光的傳播速度各向同性，均為c。“以太”充滿宇宙，透明而密度很小；具有高彈性。它只在牛頓絕對(duì)時(shí)空中靜止不動(dòng)，即在特殊參照系中靜止。如何解決光速的參考系問(wèn)題？我們知道參照系的選擇是任意的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為慣性系和非慣對(duì)光線（1）：對(duì)光線（2）：設(shè)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)二、邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)光線（1）：對(duì)光線（2）：設(shè)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)二、邁克耳遜—光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系引起干涉條紋的移動(dòng)：1881年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果邁克耳遜干涉儀觀測(cè)到0.01個(gè)條紋的移動(dòng)。光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系引起干涉條紋的移動(dòng)：1881年邁克邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)①.以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，可在真空中傳播，以太不能作絕對(duì)參照系。②.地球上各方向光速相同，與地球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。190其他實(shí)驗(yàn)：⑴橫向多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩效應(yīng)⑵高速運(yùn)動(dòng)粒子壽命的測(cè)定，證實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩效應(yīng)⑶攜帶原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)狹義與廣義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩總效應(yīng)⑷相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)另外，用星光作光源的實(shí)驗(yàn)、雙星實(shí)驗(yàn)、及用高速運(yùn)動(dòng)粒子作光源的實(shí)驗(yàn)等都證明光速不依賴于觀察者所在的參考系，且與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。其他實(shí)驗(yàn)：另外，用星光作光源的實(shí)驗(yàn)、雙星實(shí)驗(yàn)、及用高速運(yùn)動(dòng)?！?.2狹義相對(duì)論的基本原理洛侖茲變換§6.2狹義相對(duì)論的基本原理洛侖茲變換物理定律在所有的慣性系中都具有相同形式；所有慣性系都等價(jià)，不存在特殊的、絕對(duì)的慣性系。1相對(duì)性原理真空中光速相對(duì)任何慣性系沿任何一個(gè)方向大小恒為c，且與光源運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。2光速不變?cè)硪?、基本原理⑴它否定了伽利略變換，即否定了經(jīng)典時(shí)空觀。⑵光速大小與參照系無(wú)關(guān)，但方向在不同參照系中可以不同。⑶光速數(shù)值不變，則不同參照系中時(shí)間、空間要發(fā)生關(guān)聯(lián)。物理定律在所有的慣性系中都具有相同形式；1相對(duì)性原理真空中光速不變將導(dǎo)致同時(shí)的相對(duì)性按經(jīng)典理論，在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一系中仍為同時(shí)發(fā)生。但按相對(duì)論理論，“同時(shí)”具有相對(duì)性，即在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一系中可能不同時(shí)發(fā)生。Σ′系觀測(cè)A與B同時(shí)收到光信號(hào)Σ系觀測(cè)A先收到光信號(hào)ABccABcc光速不變將導(dǎo)致同時(shí)的相對(duì)性按經(jīng)典理論，在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)二間隔不變性2、經(jīng)典理論的空間間隔（距離）與時(shí)間間隔①慣性系要求從一慣性系到另一慣性系的時(shí)空坐標(biāo)變換必須是線性的②

光速不變性要求間隔具有不變性經(jīng)典時(shí)空理論集中反映在伽利略變換上，因而必須根據(jù)相對(duì)論基本原理導(dǎo)出時(shí)空坐標(biāo)變換關(guān)系，從而建立新的時(shí)空理論1、事件：在無(wú)限小空間，無(wú)限小時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，稱為事件。或說(shuō)在某一時(shí)刻，某一空間上發(fā)生的某一事件稱為事件，一般用P來(lái)表示。在某一個(gè)參考系中可以表示為P(x,y,z,t)（直角坐標(biāo)系）。二間隔不變性2、經(jīng)典理論的空間間隔（距離）與時(shí)間間隔①一般的，定義時(shí)空間隔（間隔）：間隔：相對(duì)論時(shí)空理論的一個(gè)重要基本概念，它將時(shí)間與空間統(tǒng)一起來(lái)，有深刻的物理含義。3、相對(duì)論的時(shí)空間隔考察光在真空中傳播過(guò)程的發(fā)射和接收兩事件P1和P2令令光信號(hào)聯(lián)系的兩事件S2為不變量一般的，定義時(shí)空間隔（間隔）：間隔：相對(duì)論時(shí)空理論的一個(gè)重要設(shè)在Σ系兩件事件間隔為s2，Σ′系中為s′2，線性變換要求s2

=

As'2空間均勻性要求s′2

=

As2即s′2

=

s2間隔不變性4、間隔不變性意義：兩事件的間隔與參照系的選擇無(wú)關(guān)，是一個(gè)不變量。它是光速不變?cè)淼臄?shù)學(xué)表示形式。設(shè)在Σ系兩件事件間隔為s2，Σ′系中為s′2，線性變換要求4、間隔不變性例：在Σ′系靜止光源S發(fā)光，經(jīng)M反射后到S接收，設(shè)Σ′相對(duì)Σ沿x軸正向運(yùn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)間間隔與間隔。系中觀察，閃光發(fā)出和接收之間的時(shí)間間隔為發(fā)出和接收是在同一地點(diǎn)S上發(fā)生兩事件的間隔為4、間隔不變性例：在Σ′系靜止光源S發(fā)光，經(jīng)M反射后到S接4、間隔不變性系中觀察，閃光發(fā)出和接收間的時(shí)間間隔為?t，在?t內(nèi)，光源已運(yùn)動(dòng)了?x

=

v?t，光訊號(hào)傳播的路程為因而兩事件的間隔為因而4、間隔不變性系中觀察，閃光發(fā)出和接收間的時(shí)間間隔

三、洛倫茲變換變換必須是線性的(1)在Y、Z方向沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以y，z不變(x,y,z,t)OZXYO'Z'Y'vPX'求事件P在不同慣性系的坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。Σ′系相對(duì)于Σ系以速度v沿x軸的正方向運(yùn)動(dòng)，設(shè)兩系在t

=

0時(shí)重合。三、洛倫茲變換變換必須是線性的(1)在Y、Z方向沒(méi)有相對(duì)考慮間隔不變性④②③①由①、②得代入③得⑤考慮間隔不變性④②③①由①、②得代入③得⑤考慮Σ′系中原點(diǎn)O′,在Σ系中坐標(biāo)為vt即⑥由④、⑤、⑥解出考慮x軸與x′軸正向相同，t與t′正向一致考慮Σ′系中原點(diǎn)O′,在Σ系中坐標(biāo)為vt即⑥由④、⑤、⑥解出洛倫茲正變換洛倫茲逆變換四關(guān)于洛倫茲變換的分析與討論反映空間、時(shí)間相互影響，相互制約。---相對(duì)論時(shí)空觀（1）它為兩個(gè)不同慣性系中的時(shí)空坐標(biāo)的變換關(guān)系，是相對(duì)論時(shí)空觀的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式。洛倫茲正變換洛倫茲逆變換四關(guān)于洛倫茲變換的分析與討論反映（3）光速是各種物體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)極限速度虛數(shù)（洛倫茲變換失去意義）結(jié)論：任何物體的運(yùn)動(dòng)都不會(huì)超過(guò)光速（相對(duì)某參考系）（2）當(dāng)洛倫茲變換簡(jiǎn)化為伽利略變換式結(jié)論：在低速情況下，相對(duì)論時(shí)空觀可由絕對(duì)時(shí)空觀替代（3）光速是各種物體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)極限速度虛數(shù)（洛倫茲變換失第六章狹義相對(duì)論Thetheoryofspecialrelativity第六章Thetheoryofspecialrelat第0節(jié)狹義相對(duì)論的提出第0節(jié)一、什么是相對(duì)論相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間的相對(duì)性的理論，在這一理論下，時(shí)間和空間只具有相對(duì)的意義。相對(duì)論包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。分別由愛(ài)因斯坦在1905年和1916年創(chuàng)立。愛(ài)因斯坦（1879-1955）出生于德國(guó)。一、什么是相對(duì)論相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間的相對(duì)性愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介

1879年3月14日出生在德國(guó)烏爾姆城一個(gè)猶太人家中。父親為工程師兼小業(yè)主。不久遷往慕尼黑。他四歲才會(huì)講話，性格孤僻，好幻想，除數(shù)學(xué)以外其它成績(jī)較差，無(wú)中學(xué)畢業(yè)文憑。后來(lái)搬家到意大利。1896年（17歲）進(jìn)瑞士蘇黎士工業(yè)大學(xué)師范系理論物理專業(yè)。4年大學(xué)成績(jī)?nèi)暂^差，但拿到畢業(yè)文憑。大學(xué)期間常獨(dú)自鉆研和做實(shí)驗(yàn)，看了大量科學(xué)書(shū)籍。1900年（21歲）畢業(yè)即失業(yè)，做了許多臨時(shí)工作，1902年（23歲）經(jīng)朋友介紹進(jìn)專利局當(dāng)職員。愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介1879年3月14日出生在德國(guó)烏經(jīng)多年潛心研究，1905年（26歲），除去博士論文外，愛(ài)因斯坦連續(xù)完成了4篇重要論文：

6月，完成題為“論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”的論文，提出了相對(duì)論(即狹義相對(duì)論)；

9月，完成有關(guān)質(zhì)能關(guān)系式的論文，指出能量等于質(zhì)量乘光速的平方E=mc2。其中任何一篇文章都?jí)虻蒙夏弥Z貝爾獎(jiǎng)。

3月，完成解釋光電效應(yīng)的論文，提出光子說(shuō)；5月，完成關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，間接證明了分子的存在；經(jīng)多年潛心研究，1905年（26歲），除去博

1909年（30歲）成為大學(xué)教授。1916年（37歲），愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，提出時(shí)空彎曲的思想，建立起嶄新的時(shí)空觀。1921年（42歲）獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（成功解釋光電效應(yīng)）1923年（44歲）起開(kāi)始研究“統(tǒng)一場(chǎng)”理論。1940（61歲）年加入美國(guó)國(guó)籍。后期寫(xiě)了多部著作，一生發(fā)表論文200多篇。1909年（30歲）成為大學(xué)教授。NatureandNature'slawslayhidinnight:

Godsaid,LetNewtonbe!Andallwaslight.相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別極大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛(ài)因斯坦偉大，但又弄不懂這偉大的內(nèi)容，人們想起了英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句:自然與自然規(guī)律隱藏在黑暗之中上帝說(shuō),“讓牛頓來(lái)吧”,于是一切化為光明。NatureandNature'slawslayhItdidnotlast,

Thedevilhowling,Ho,letEinsteinbe!Restoredthestatusquo.但不久，魔鬼說(shuō),“讓愛(ài)因斯坦來(lái)吧”,于是一切又重新回到黑暗中。Itdidnotlast,但不久，愛(ài)因斯坦1955年4月19日逝世，終年76歲。沒(méi)有舉行葬禮，遺體被火化，沒(méi)有建墳?zāi)梗涣⒓o(jì)念碑。人類宇宙中有頭等光輝的一顆明星，他的偉大至少可與牛頓相比擬。著名科學(xué)家郎之萬(wàn)對(duì)愛(ài)因斯坦有很高的評(píng)價(jià)：愛(ài)因斯坦1955年4月19日逝世，終年76歲

牛頓認(rèn)為：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著”；“絕對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的”。這就是牛頓力學(xué)的“絕對(duì)時(shí)間”和“絕對(duì)空間”?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》一、牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀

那么，相對(duì)論是如何提出的呢?牛頓認(rèn)為：一、牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀那二、你也可能提出相對(duì)論以甲車(chē)為參考系：乙車(chē)的速度：v乙甲=10米/秒v乙地=v甲地+v乙甲OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)甲、乙兩列火車(chē)從同一地點(diǎn)出發(fā)沿相同方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)，甲車(chē)相對(duì)于地面速度20米/秒，乙車(chē)相對(duì)于地面速度30米/秒，乙車(chē)相對(duì)于甲車(chē)的速度為多少？以地面為參考系：甲車(chē)的速度：v甲地=20米/秒，乙車(chē)的速度：v乙地=30米/秒二、你也可能提出相對(duì)論以甲車(chē)為參考系：乙車(chē)的速度：v乙甲=OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)

S系(建立在地面上)和S

系(建立在甲車(chē)上)的坐標(biāo)軸相互平行,且S

系相對(duì)于S系沿+x

方向以速率u(=v甲地)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)O

和O

重合時(shí)，設(shè)t

=

t=0。令vx=v乙地，v′x=v乙甲vx=u

+

v'x—伽利略變換1.伽利略變換坐標(biāo)變換分量式:速度變換分量式：OxyzOzyxv甲地t甲車(chē)乙車(chē)加速度變換式：由伽利略速度變換可以得出一個(gè)結(jié)論：速度和參考系的選擇有關(guān)。2.伽利略相對(duì)性原理一切力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中是等價(jià)的。在所有慣性系中，力學(xué)定律的表達(dá)形式都相同。例如牛頓第二定律，在S系中表述為在S′系中由于，而力和質(zhì)量與參考系選擇無(wú)關(guān)，因而牛頓第二定律仍可表述為加速度變換式：由伽利略速度變換可以得出一個(gè)

十九世紀(jì)60年代，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論這個(gè)速度是相對(duì)于那個(gè)參考系呢？對(duì)于自由空間真空中的波動(dòng)方程為c=3×108米/秒，稱為光速。3.經(jīng)典電磁學(xué)出現(xiàn)的問(wèn)題十九世紀(jì)60年代，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論這個(gè)速度是

有人提出以太的概念，認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的，以太均勻的分布在宇宙中，密度很小但彈性很大。人們提出一些關(guān)于以太的理論，并試圖證明它的存在。其中最著名的就是麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)。其原理是利用了光波的干涉。

然而麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有證明以太的存在，反而證明以太是不存在的。前面的問(wèn)題又提出來(lái)了，c=3×108米/秒到底是相對(duì)于哪個(gè)參考系的？

另一方面，牛頓運(yùn)動(dòng)定律在伽利略變換下保持形式不變，但麥克斯韋方程組在伽利略變化下不滿足變換不變性。有人提出以太的概念，認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的，以太因此可能存在的問(wèn)題：麥克斯韋方程組是錯(cuò)誤的？相對(duì)性原理不適用于電磁規(guī)律？伽利略變換不適用于電磁規(guī)律？大量理論和實(shí)驗(yàn)證明麥克斯韋方程組是正確的。麥克斯韋方程組在伽利略變化下不滿足變換不變性。因此可能存在的問(wèn)題：麥克斯韋方程組是錯(cuò)誤的？相對(duì)性原理不適用c=3×108m/s相對(duì)于哪個(gè)參考系？相對(duì)性原理不適用于電磁規(guī)律？3.愛(ài)因斯坦假設(shè)(1)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)性原理(2)光速不變假設(shè)

在所有慣性系中，物理定律的表達(dá)形式都相同。

在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的量值c而與參考系的選擇無(wú)關(guān)。

這一原理表明，運(yùn)動(dòng)的描述只有相對(duì)的意義，而絕對(duì)靜止的參考系是不存在的，在設(shè)計(jì)力學(xué)或電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，去尋找某慣性系的絕對(duì)速度是沒(méi)有意義的。不管光源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)如何，在任一慣性系中的觀察者所觀察到的真空中的光速都是相等的。c=3×108m/s相對(duì)于哪個(gè)參考系？相對(duì)性原理不適用于

伽利略變換不滿足愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，因而不再適用于電磁規(guī)律！所以必須尋找新的變換。一場(chǎng)物理學(xué)的革命即將拉開(kāi)序幕。伽利略變換不滿足愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，因而不§6.1相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)§6.1相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)一、歷史背景

19世紀(jì)末期，物理學(xué)家湯姆遜在一次國(guó)際會(huì)議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難。”正是為了解決上述兩問(wèn)題，物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)深刻的革命導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。早在電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有涉及參照系問(wèn)題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空理論討論電動(dòng)學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過(guò)幾十年的探索，在1905年終于由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。一、歷史背景19世紀(jì)末期，物理學(xué)家湯姆遜在一我們知道參照系的選擇是任意的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為慣性系和非慣性系。不同參照系之間時(shí)空坐標(biāo)存在一定的變換關(guān)系，在經(jīng)典力學(xué)中慣性系之間的變換關(guān)系稱為伽利略變換。一、歷史背景光借助“以太”媒質(zhì)傳播，在相對(duì)靜止的“以太”媒質(zhì)中，光的傳播速度各向同性，均為c?！耙蕴背錆M宇宙，透明而密度很?。痪哂懈邚椥?。它只在牛頓絕對(duì)時(shí)空中靜止不動(dòng)，即在特殊參照系中靜止。如何解決光速的參考系問(wèn)題？我們知道參照系的選擇是任意的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為慣性系和非慣對(duì)光線（1）：對(duì)光線（2）：設(shè)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)二、邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)光線（1）：對(duì)光線（2）：設(shè)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)二、邁克耳遜—光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系引起干涉條紋的移動(dòng)：1881年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果邁克耳遜干涉儀觀測(cè)到0.01個(gè)條紋的移動(dòng)。光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系引起干涉條紋的移動(dòng)：1881年邁克邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)①.以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，可在真空中傳播，以太不能作絕對(duì)參照系。②.地球上各方向光速相同，與地球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。190其他實(shí)驗(yàn)：⑴橫向多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩效應(yīng)⑵高速運(yùn)動(dòng)粒子壽命的測(cè)定，證實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩效應(yīng)⑶攜帶原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)狹義與廣義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘延緩總效應(yīng)⑷相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)另外，用星光作光源的實(shí)驗(yàn)、雙星實(shí)驗(yàn)、及用高速運(yùn)動(dòng)粒子作光源的實(shí)驗(yàn)等都證明光速不依賴于觀察者所在的參考系，且與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。其他實(shí)驗(yàn)：另外，用星光作光源的實(shí)驗(yàn)、雙星實(shí)驗(yàn)、及用高速運(yùn)動(dòng)粒§6.2狹義相對(duì)論的基本原理洛侖茲變換§6.2狹義相對(duì)論的基本原理洛侖茲變換物理定律在所有的慣性系中都具有相同形式；所有慣性系都等價(jià)，不存在特殊的、絕對(duì)的慣性系。1相對(duì)性原理真空中光速相對(duì)任何慣性系沿任何一個(gè)方向大小恒為c，且與光源運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。2光速不變?cè)硪?、基本原理⑴它否定了伽利略變換，即否定了經(jīng)典時(shí)空觀。⑵光速大小與參照系無(wú)關(guān)，但方向在不同參照系中可以不同。⑶光速數(shù)值不變，則不同參照系中時(shí)間、空間要發(fā)生關(guān)聯(lián)。物理定律在所有的慣性系中都具有相同形式；1相對(duì)性原理真空中光速不變將導(dǎo)致同時(shí)的相對(duì)性按經(jīng)典理論，在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一系中仍為同時(shí)發(fā)生。但按相對(duì)論理論，“同時(shí)”具有相對(duì)性，即在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在另一系中可能不同時(shí)發(fā)生。Σ′系觀測(cè)A與B同時(shí)收到光信號(hào)Σ系觀測(cè)A先收到光信號(hào)ABccABcc光速不變將導(dǎo)致同時(shí)的相對(duì)性按經(jīng)典理論，在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)二間隔不變性2、經(jīng)典理論的空間間隔（距離）與時(shí)間間隔①慣性系要求從一慣性系到另一慣性系的時(shí)空坐標(biāo)變換必須是線性的②

光速不變性要求間隔具有不變性經(jīng)典時(shí)空理論集中反映在伽利略變換上，因而必須根據(jù)相對(duì)論基本原理導(dǎo)出時(shí)空坐標(biāo)變換關(guān)系，從而建立新的時(shí)空理論1、事件：在無(wú)限小空間，無(wú)限小時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，稱為事件?；蛘f(shuō)