狹義相對(duì)論的建立10606122.ppt

第3章 狹義相對(duì)論 3.1 狹義相對(duì)論的建立 3.2 洛倫茲變換 3.3 時(shí)間延緩和長度收縮 3.4 相對(duì)論速度變換 3.5 相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) *3.6 廣義相對(duì)論簡介（不講）,到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，“往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字而已”。,相對(duì)論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩個(gè)基礎(chǔ)理論，深刻改變?nèi)藗儗?duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。,第一朵烏云：測量地球相對(duì)“以太”運(yùn)動(dòng)的否定結(jié)果與存在絕對(duì)靜止的“以太”參考系相矛盾。,第二朵烏云：黑體輻射規(guī)律與經(jīng)典物理理論中的能量均分定理相矛盾。,導(dǎo)致相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生,但這時(shí)看似晴朗的物理學(xué)的天空卻出現(xiàn)了“兩朵烏云”。,1879 1955,Albert Einstein,愛因斯坦,3.1 狹義相對(duì)論的建立 3.1.1 時(shí)空變換 3.1.2 絕對(duì)時(shí)空觀和伽利略變換 3.1.3 狹義相對(duì)論的基本假設(shè),時(shí)間和空間時(shí)空,分為三個(gè)階段：牛頓力學(xué)階段、狹義相對(duì)論階段、廣義相對(duì)論階段。,狹義相對(duì)論是慣性系中的時(shí)空的理論，不能處理涉及引力的問題。,物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與時(shí)空的性質(zhì)緊密相關(guān)，因此對(duì)時(shí)空性質(zhì)的研究一直是物理學(xué)中的一個(gè)基本問題。,廣義相對(duì)論則把相對(duì)論推廣到任意參考系，是關(guān)于時(shí)空和引力的理論。,3.1.1 時(shí)空變換,設(shè)有一列火車在地面上作勻速直線運(yùn)動(dòng)，還有兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的鐘和兩把完全相同的尺。,現(xiàn)把其中的一個(gè)鐘和一把尺放在火車上（動(dòng)鐘、動(dòng)尺），,實(shí)際上是時(shí)間與空間在兩個(gè)慣性系之間的變換問題,問：動(dòng)鐘和靜鐘哪個(gè)走得快？動(dòng)尺和靜尺哪個(gè)更長？,另一個(gè)鐘和另一把尺留在地面（靜鐘、靜尺），,并讓這兩把尺都沿著火車運(yùn)動(dòng)的方向放置。,在同一參考系中，這兩個(gè)鐘走得一樣快，這兩把尺的長度嚴(yán)格相等。,事件：具有確定的發(fā)生時(shí)間和確定的發(fā)生地點(diǎn)的物理現(xiàn)象,討論時(shí)空性質(zhì)時(shí)，關(guān)心的是時(shí)空坐標(biāo)或時(shí)空點(diǎn)，而不必再去關(guān)心引入時(shí)空概念的事件。,例如：一個(gè)閃光在某一時(shí)刻t，到達(dá)某一地點(diǎn)（x,y,z）就是一個(gè)事件，其時(shí)空坐標(biāo)是（x,y,z,t）,一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，稱為該事件的時(shí)空坐標(biāo)或時(shí)空點(diǎn)。,同一事件P在兩個(gè)慣性系中的時(shí)空坐標(biāo)（ ）與（ ）之間的變換關(guān)系。,如何表示時(shí)間？,時(shí)間零點(diǎn)的定義：,當(dāng) O 和 O 重合時(shí),時(shí)空變換：,時(shí)空變換反映了時(shí)間和空間與參考系選擇的關(guān)系,時(shí)空坐標(biāo)代表時(shí)間和長度的測量值,牛頓力學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是絕對(duì)的，且相互獨(dú)立，,即在兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系中測量，時(shí)間間隔和長度都是相同的（動(dòng)鐘和靜鐘走得一樣快，動(dòng)尺和靜尺的長度相同），,3.1.2 絕對(duì)時(shí)空觀和伽利略變換,伽利略變換：,伽利略速度變換：,絕對(duì)時(shí)空觀：,與參考系的選擇無關(guān)。,3.1.3 狹義相對(duì)論的基本假設(shè),1. 歷史背景,1864年，麥克斯韋預(yù)言光是電磁波。根據(jù)電磁學(xué)理論，光在真空中的傳播速度：,0、0：真空介電常量、真空磁導(dǎo)率，與參考系無關(guān),在任何慣性系中，光沿各個(gè)方向的傳播速度都等于c。,或者說：對(duì)于描述電磁波的傳播來說，所有慣性系都是平等的。,按伽利略速度變換，如果在某一慣性系 S 中沿各個(gè)方向的光速都是 c，則在以速度 u 運(yùn)動(dòng)的慣性系S 中觀測，沿運(yùn)動(dòng)方向的光速為 cu，沿反方向的光速為 c + u,光速不變與伽利略相對(duì)性原理矛盾：,（1）修改電磁學(xué)理論，讓它服從伽利略相對(duì)性原理。,電磁學(xué)理論正確性已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，涉及電磁波的傳播等高速運(yùn)動(dòng)，伽利略變換是否適用，從未被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過,解決這一矛盾有三種可能的選擇：,對(duì)于描述電磁波的傳播來說， S 系和 S 系不平等。,無理由修改電磁學(xué)理論,（2）認(rèn)為伽利略相對(duì)性原理和電磁學(xué)理論都正確，,如果 “以太” 真的存在，地球就要相對(duì) “以太” 運(yùn)動(dòng)，在地面上沿不同方向的光速就應(yīng)該有差別。,光的 “以太” 假說：光在真空中傳播也需要介質(zhì)，這種介質(zhì)稱為 “以太”。,“以太”充滿整個(gè)宇宙空間，并且是絕對(duì)靜止的；在 “以太” 參考系中，沿各個(gè)方向的光速都是c。,但電磁學(xué)定律只是在絕對(duì)靜止的慣性系 “以太” 參考系 中成立。,18811887年期間，邁克耳孫和莫雷使用由邁克耳孫發(fā)明的干涉儀，試圖通過測量不同方向光速的差別來測量地球相對(duì) “以太” 的運(yùn)動(dòng)。,把伽利略相對(duì)性原理加以推廣，讓電磁學(xué)理論服從推廣后的相對(duì)性原理。,（3）愛因斯坦的作法：,得到的是否定結(jié)果：,在地面上沿不同方向的光速相等，,因此 “以太” 參考系不存在。,他堅(jiān)信相對(duì)性原理是自然界普遍規(guī)律的表現(xiàn)，揭示了同時(shí)性具有相對(duì)性，在1905年發(fā)表的題為論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)的論文中，提出狹義相對(duì)論所依據(jù)的兩條基本假設(shè)，創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。,2. 愛因斯坦相對(duì)性原理,對(duì)于描述物理定律（包括力學(xué)定律）來說，所有的慣性參考系都是平等的，不存在特殊的絕對(duì)慣性系。,實(shí)際上，1904年法國物理學(xué)家龐加萊就提出了相對(duì)性原理。,但是他下不了決心放棄光的“以太”假說，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)物體長度的收縮是實(shí)際的收縮，而沒有認(rèn)識(shí)到這是不同慣性系之間進(jìn)行時(shí)間測量的結(jié)果。,3. 光速不變原理,在所有慣性系中，光在真空中的傳播速度都等于c?；蛘哒f，無論光源和觀察者如何運(yùn)動(dòng)，觀察者測得的光速都等于c。,1964年，對(duì)速度為 0.99975c 的介子衰變發(fā)射的 射線進(jìn)行了測量，沿介子（光源）運(yùn)動(dòng)方向發(fā)射的光子的速度，與光速c極其一致。,1983年，國際上規(guī)定：,光速：c = 299 792 458 ms1,1米：光在真空中1/299 792 458 秒內(nèi)所經(jīng)距離,引導(dǎo)愛因斯坦提出光速不變原理和