狹義相對論課件

本章題頭狹義相對論第五章ofrelativityspecialtheorychapter6chapter5狹義相對論

本章的基本問題:1、經(jīng)典時空觀的內(nèi)容是什么?2、愛因斯坦為什么要提出新時空觀？

3、新時空觀又有那些內(nèi)容？

4、根據(jù)新時空觀可以推出哪些重要結(jié)論？狹義相對論

經(jīng)典時空觀認為時間和空間是獨立變化的參量，時間和空間的測量與觀察者的運動沒有關(guān)系。時間、空間、運動在經(jīng)典時空中是分割的，沒有體現(xiàn)出他們的聯(lián)系,質(zhì)量是和運動無關(guān)的常量。ssss5.1歷史背景歷史背景1、經(jīng)典時空觀的內(nèi)容是什么?不同參照系中時間間隔和空間隔分別相等在兩個慣性參考系（相互為勻速直線運動的參考系）S’和S中觀察兩個物理事件的時間間隔和空間間隔：狹義相對論誰是誰非如：牛頓定律力學規(guī)律fma在系觀察s在系觀察sfmama

在一切慣性系中，力學規(guī)律相同。稱為伽利略相對性原理電磁學規(guī)律若處有兩個電荷p對系，電荷間的相互作用

為靜電力。s對系，是兩個運動電荷，還有磁力作用。

s規(guī)律不相同若處有一光源，迎著

發(fā)射光波（電磁波）pv對s,光速uc對s,cucv光速+無實驗根據(jù)自洽不自洽？？？誰是誰非難以判斷伽利略變換rtvttrruddtuv2addtr2assvprrvtOO狹義相對論有一對帶正電的粒子在實驗室中靜止，其間距為d，實驗室中靜止的觀察者看來，每個粒子受到一個電斥力，沒有磁力存在，另一個以速度向右勻速運動的觀察者看來，每個粒子相對他在運動，因此它們之間除了電斥力外，還應(yīng)有相互吸引的磁力。如果作用在q’上的合力，對兩個觀察者而言是相同的，那么，因為

電斥力一定比大；若進一步認為電荷是不變的，則兩個觀察者看到的電場必定不相等。狹義相對論經(jīng)典時空觀失敗2伽利略變換在光現(xiàn)象中失敗、19世紀末，麥克斯韋建立了電磁場理論,并預言電磁波的存在,證明了電磁波在真空中3以光速ms1c108傳播.按伽利略變換的觀點,在兩個相對運動的參考系KK和中測得的真空光速是不同的cc+uucKKKucKccu愛因斯坦對此問題作了深入研究,大膽拋棄經(jīng)典時空觀,提出了兩條假說,作為狹義相對論的兩條基本原理伽利略變換在解釋當時許多重要的光現(xiàn)象中失敗例如著名的天文現(xiàn)象觀測(如雙星運行周期觀測)企圖尋找以太的精密光學干涉實驗(邁克耳孫-莫雷實驗)按伽利略變換計算的周期與實際觀測結(jié)果不符.也從來沒有觀測到伽利略變換預言的亮弧現(xiàn)象.按伽利略變換計算干涉條紋會發(fā)生移動.但一年四季反復精密觀測,沒有觀測到預期的干涉條紋移動.,,,,狹義相對論邁-莫實驗以太光對地球u光對以太c地球?qū)σ蕴玽c+v2cv2cv2cv2cs

若能用實驗證明光波對地球的相對運動符合上述規(guī)律，則地球?qū)σ蕴慕^對運動將被證實，“以太”觀點成立。u邁克耳孫設(shè)計了一種檢驗方法

根據(jù)“以太”觀點，充滿宇宙的“以太”是一切運動的絕對參考系。

光波靠“以太”傳播，光對“以太”的絕對速度為

。c若在地球上固定一光源，s按伽利略的速度合成法則，地球?qū)σ蕴慕^對運動必滿足：cu+v或ucv邁克耳孫莫雷實驗尋找“以太”失敗實例R狹義相對論

若能用實驗證明光波對地球的相對運動符合上述規(guī)律，則地球?qū)σ蕴慕^對運動將被證實，“以太”觀點成立。u邁克耳孫設(shè)計了一種檢驗方法：

根據(jù)“以太”觀點，充滿宇宙的“以太”是一切運動的絕對參考系。

光波靠“以太”傳播，光對“以太”的絕對速度為

。c若在地球上固定一光源，s按伽利略的速度合成法則，地球?qū)σ蕴慕^對運動必滿足：cu+v或ucv邁克耳孫莫雷實驗尋找“以太”失敗實例以太光對地球u光對以太c地球?qū)σ蕴玽c+v2cv2cv2cv2cs續(xù)8v地球c光對以太v地球?qū)σ蕴鈱Φ厍騯s底盤1鏡2鏡玻片O11m臂長l=

590nm邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋邁克耳孫莫雷實驗假如存在“以太”，的u大小必與傳播方向有關(guān)。繞中心O轉(zhuǎn)動干涉儀，兩臂光程差必改變，干涉條紋必有移動。干涉儀轉(zhuǎn)過90°，兩臂位置取向互換，光程差改變達極大，條紋移動量亦達極大。相對速率若“以太”觀點成立，預期有0.4根條紋移動量。（儀器的靈敏度，可判斷0.01根條紋的移動量）。30km/s地球絕對速度屬假設(shè)。在估算

干涉條紋移動量時用地球的公轉(zhuǎn)速度

。這并不影響實驗原理。實測結(jié)果

經(jīng)過不同季節(jié)、不同時間的反復仔細觀測記錄，沒有發(fā)現(xiàn)預期的條紋移動。在歷史上曾被稱為有關(guān)尋找“以太”著名的“零結(jié)果”。尋找“以太”失敗實例地球s底盤1鏡2鏡玻片O邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋相對速率地球s底盤1鏡2鏡玻片O11m臂長l=

590nm邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋相對速率狹義相對論雙星周期的測量:?伴星B繞A,B的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。按伽利略變換地球S上測得雙星的半周期在伽利略變換下應(yīng)為狹義相對論?因此測全周期應(yīng)為！？伽利略變換值得懷疑！如果認為光速與光源（或接收器）是否運動沒有關(guān)系，問題便得以解決。若直接測全周期雙星周期的測量再一次證實了光速不變性，肯定了伽利略變換式必須修改！狹義相對論面對電磁學規(guī)律不滿足伽利略相對性原理有三條路1)堅持經(jīng)典時空觀,但對電磁學規(guī)律進行修正發(fā)射假設(shè)2)伽利略變換作修正洛侖茲:收縮假設(shè)3)建立全新的時空觀愛因斯坦:狹義相對論拖帶理論:為解釋邁克耳遜干涉實驗的結(jié)果,有人提出,由于以太很輕,所以地球在自轉(zhuǎn)時帶著以太一起運動,因而它們相對靜止,所以觀察不到相對以太的運動.拖帶理論發(fā)射假設(shè):有人提出光相對于光源的速度是c,由于光源隨地球一起運動,并與儀器相對靜止,所以只能觀察到光速=c.收縮假說:為解釋邁克耳遜干涉實驗的結(jié)果,而又保留以太說,洛侖茲于1892年提出收縮假說,他假定在相對于以太運動的方向上,物體的長度會收縮,收縮的比例因子是,這樣一來,在邁克耳遜干涉實驗結(jié)果就可以得到解釋。3、愛因斯坦為什么要提出新時空觀？狹義相對論理論光學實驗其它實驗

固定以太理論

OOOOOOOOV相對于光源=c

OOOO

太陽光源邁克爾孫實驗雙星運行周期的觀察運動的光源和反射鏡現(xiàn)象肯尼迪-桑戴克實驗邁克爾孫實驗斐索運流實驗光行差現(xiàn)象永磁體單極感應(yīng)實驗高速介子衰變實驗運動電荷輻射實驗普遍的質(zhì)能相當實驗質(zhì)量隨速度變化實驗以太理論以太附著在有質(zhì)物體上的理論(拖拽)發(fā)射理論V反相對反射鏡=cV反相對于光源的象=c狹義相對論

OOOOOOOOOO狹義相對論愛因斯坦說過，我的理論被證實過一萬次也不能證明這個理論是正確的，相反，只要有一次發(fā)現(xiàn)是錯誤的，那就足以證明這個理論是錯誤的。狹義相對論世界上最大的機器：“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的機器。它位于瑞士、法國邊境地區(qū)地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。地球上最快的“軌道”：如果“開足馬力”，數(shù)以百萬計的粒子將在環(huán)形隧道內(nèi)以每秒11245圈的速度“狂飆”，約等于光速的99.99%。狹義相對論設(shè)在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心2010年30日宣布，當今世界最大粒子加速器（LHC），由CERN控制的大型強子對撞機３０日成功地讓兩束質(zhì)子束流對撞，并獲得7萬億電子伏特的能量，這是迄今最高能量的質(zhì)子束流對撞試驗。本次試驗用于模擬１３７億年前宇宙大爆炸之后的最初狀態(tài)，實驗的成功將有助于科學家進一步研究宇宙的起源。

2vc1()m0c20mc2為什么需要如此大的能量？------這是源于相對論的公式：狹義相對論狹義相對論英國《自然》雜志網(wǎng)站2011年9月22日報道,歐洲研究人員發(fā)現(xiàn)了難以解釋的中微子超光速現(xiàn)象,這一現(xiàn)象違背了愛因斯坦相對論,研究人員目前對此持謹慎態(tài)度,希望全球科學家能共同探究原因。據(jù)報道,意大利格蘭薩索國家實驗室下屬的一個名為OPERA的實驗裝置接收了來自著名的歐洲核子研究中心的中微子,兩地相距730公里,中微子“跑”過這段距離的時間比光速還快了60納秒(1納秒等于十億分之一秒)。參與實驗的瑞士伯爾尼大學的安東尼奧伊拉蒂塔托說,他和同事被這一結(jié)果震驚了,他們隨后反復觀測到這個現(xiàn)象1.6萬次,并仔細考慮了實驗中其他各種因素的影響,認為這個觀測結(jié)果站得住腳,于是決定將其公開。修改相對論？狹義相對論北京時間2012年2月23日消息，據(jù)美國《科學》雜志報道，2011年9月在意大利進行的OPERA實驗宣稱發(fā)現(xiàn)中微子速度超過光速。然而，這一“驚人發(fā)現(xiàn)”似乎因一個錯誤導致，罪魁禍首可能是GPS裝置與電腦之間“接觸不良”。

據(jù)熟悉此項實驗的消息人士透露，提前60毫微秒似乎由連接GPS接收器(用于校正中微子飛行時間)的光纜與電腦內(nèi)電子卡之間出現(xiàn)的接觸不良所致。在測量數(shù)據(jù)穿行光纜長度所用時間時，研究人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)所用時間比預計提前60毫微秒。由于這一時間從總用時中扣除，似乎能夠解釋中微子為何早到。不過，科學家仍需新數(shù)據(jù)證實這種假設(shè)。

狹義相對論兩個基本假設(shè)1、相對性原理2、光速不變原理1905《論動體的電動力學》

對所有慣性系，

光在真空中的速率

物理規(guī)律都是相同的。

在任何慣性系中，

都等于同一量值c

。愛因斯坦愛因斯坦AlberEinsteinAlberEinstein1879-19551879-1955狹義相對論的兩個基本原理狹義相對論的兩個基本原理ssss5.2狹義相對論在一切慣性系中，所有的物理規(guī)律都是相同的。1.(1)愛因斯坦相對性原理不論通過力學,電磁還是其它現(xiàn)象,都無法覺察到所處的參考系的任何“絕對運動”一切相互之間做勻速直線運動的參考系都是等價的。不存在任何一個特殊的慣性參照系。等價表述狹義相對論“在任何慣性系中光在真空中沿任何方向的速率都相等”,并與光源運動無關(guān).(2)光速不變原理光速不變原理的數(shù)學表達式：O、O’重合時發(fā)出光信號并開始計時。R狹義相對論洛侖茲變換洛侖茲變換洛侖茲變換ssss5.3

光到達B為事件2設(shè)：光到達A為事件1,對：兩事件同時發(fā)生，對：兩事件非同時發(fā)生。ss即

“同時”是相對的。（與慣性系有關(guān)）根據(jù)愛因斯坦的光速不變原理，不論對或光速都一樣。ss故s看到：閃光同時到達A、B壁?？吹剑洪W光先到達B壁，后到達A壁。s一、的假設(shè)是否仍然成立？tttt,trtr,,則rxrx如何變換？crxtrrxtr即而sOABsvOXcc(中點）X動畫狹義相對論

光速不變的實質(zhì)是全新的時空觀:1.時間和空間與物質(zhì)運動密切相關(guān).2.時間間隔隨慣性系而異.時間是相對量.3.空間間隔隨慣性系而異.空間是相對量.tt,trtr,,則rxrx如何變換？crxtrrxtr即而狹義相對論模型在約定慣性系中進行某一事件的時空坐標變換sXYZPOsXYZOvss()txyz,,,()txyz,,,相對沿方向以勻速運動svXsyyzzyz方向均無相對運動,現(xiàn)推導有相對運動的X方向的時空坐標變換式：OO重合開始計時tt0約定慣性系二、洛侖茲時空坐標變換式狹義相對論變換式推導求待定系數(shù)gcttvx()gctv()xgt+)ttc2g2(c2v2tt得gc2c2v211()vc2則txcgtvx()cg(tcv2x)及tg(tcv2)+x線性變換相對性原理xtvx()gxv()xgt+對任一事件，變換式均應(yīng)滿足ssOO若在重合時原點處沿OX方向發(fā)分別觀察此光信號光速不變原理xctxct出一光信號，傳播到達的X坐標和時間關(guān)系應(yīng)滿足：推導OO重合開始計時vsXs相對沿方向以勻速運動sYZOXsXYZOvPss()txyz,,,()txyz,,,yzyztt0t'=

（t+hx）（1）t=

（t’-hx）（2）狹義相對論時空坐標變換式vcg12vc0則變?yōu)樘摂?shù)，時空變換式無實際意義。vcg時空不可分割高低速兼容物體不能超光速變換式揭示了時、空是相互依賴的。當時，，且，回到伽利略變換式。結(jié)果xtvx()gxv()xgt+yyzztg(tcv2x)tg(tcv2)+xyyzzg11()vc2或?qū)懗善渲術(shù)11vc2bb,

洛侖茲時空坐標變換時空坐標平權(quán)

具有對稱性狹義相對論洛侖茲時空坐標變換與光速不變的邏輯關(guān)系光速不變原理xctxctxtvx()gyyzztg(tcv2x)g11()vc2其中所以：x’=ct’;x=ct也適用于任何物理過程適用于任何物理過程？？？xtvx()gyyzztg(tcv2x)適用于任何物理過程包括光傳播過程同時也包括了其他物理過程。在推導洛倫茲變換過程中，需要確定待定系數(shù)

，于是只是借用光速傳播這個特殊過程，來確定

，并不意味著其他物理過程也必須滿足x’=ct’;x=ct狹義相對論兩個物理事件的時空間隔:1)已知S’求S:2)已知S求S’:xtvx()gxv()xgt+yyzztg(tcv2x)tg(tcv2)+xyyzz狹義相對論關(guān)聯(lián)事件g1xu(1xt1(2xgu((2xt2t12cg(t1u1x(t2g(2cu(t22x1g1(uc(2uc1gSStr0tr0tr0xr0xr0xr0rt0rt0rt0rt0rx0rx0rx0rx0同時同時同地異地同地異時異時異地同時同地異時異地異時異地要看具體條件而定tt((0tt((0這是物質(zhì)運動速度及信號傳播速度不能大于光速的必然結(jié)果(后面還要討論).對于有因果關(guān)系的關(guān)聯(lián)事件（如：發(fā)送與接收，出生與死亡，栽種與收獲等）必有及因果果因1x2x((g(2x1x(u(t2t1(((g((t2t1t2t12x1xu((2cxrg(rxurt(trg(rxurt(2c兩事件的空間間隔兩事件的時間間隔只從數(shù)學關(guān)系分析狹義相對論例

解法提要((g((t2t1t2t12x1x((v2c0642.24×108(m/s)11(vc(2v解得例在約定系統(tǒng)中發(fā)生的兩個事件，若系測得其K時間間隔為4秒，在同一地點發(fā)生；系測得K其時間間隔為秒，則相對于的運動速度6KK大小為米/秒。狹義相對論A先向B開槍，過了12.5ns，B才向A開槍，因而站臺上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由A挑起的，假如你是車中的乘客你看見的情況是怎樣的？例、一列高速列車以0.6C的速度沿平直軌道運動,車上A、B兩人距離L