大一各科課件物理相對論

1引言十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)牛頓力學(xué)麥克斯韋電磁場理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論三大理論體系海王星的發(fā)現(xiàn)電磁理論對波動光學(xué)的成功解釋“物理學(xué)的大廈已基本建成，后輩物理學(xué)家只要做些修補(bǔ)工作就行了。”著名的英國物理學(xué)家J.J.湯姆孫：2經(jīng)典理論無法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)“零結(jié)果”和熱輻射“紫外災(zāi)難”。1900年，開爾文在新千年的祝詞中把此稱為是晴朗的物理學(xué)天空中出現(xiàn)的“兩朵烏云”。新的解決途徑？邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)相對論黑體輻射量子論3▲

相對論

1905

狹義相對論

1916

廣義相對論

▲

量子力學(xué)

◆舊量子論的形成：

1900Planck

振子能量量子化

1905

Einstein

電磁輻射能量量子化

1913N.Bohr

原子能量量子化近代物理（20世紀(jì)）包括：新的紀(jì)元人類跨入20世紀(jì)的時候，物理學(xué)也開始了——從經(jīng)典物理走向了近代物理。4

1925Heisenberg

矩陣力學(xué)

◆量子力學(xué)的建立：

量子力學(xué)原子、分子、原子核、固體量子電動力學(xué)電磁場量子場論原子核和粒子◆量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展：1924deBroglie

電子具有波動性1928Dirac

相對論波動方程1927Davisson，G.P.Thomson

電子衍射實(shí)驗(yàn)1926Schroedinger

波動方程

5就是狹義相對論（1905）、廣義相對論（1916）“在本世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，和量子力學(xué)（1925）?！边@正如楊振寧在《愛因斯坦對理論物理學(xué)的影響》一文（1979）所說：6狹義相對論基礎(chǔ)（SpecialRelativity）7

相對論由愛因斯坦（AlbertEinstein）創(chuàng)立，狹義相對論（SpecialRelativity）（1905）揭示了時間、空間與運(yùn)動的關(guān)系。揭示了時間、空間與引力的關(guān)系。重點(diǎn)是狹義相對論的時空觀。它包括了兩大部分：廣義相對論（generalrelativity）（1915-1916）8愛因斯坦

20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，1879年3月14日出生于德國烏爾姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。1905年，愛因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了史無前例的奇跡。這一年的3月到9月半年中，利用業(yè)余時間發(fā)表了6

篇論文，在物理學(xué)3

個領(lǐng)域作出了具有劃時代意義的貢獻(xiàn)—

創(chuàng)建了光量子理論、狹義相對論和分子運(yùn)動論。愛因斯坦在1915年到1917年的3年中，還在3

個不同領(lǐng)域做出了歷史性的杰出貢獻(xiàn)—

建成了廣義相對論、輻射量子理論和現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論。

愛因斯坦（AlbertEinstein）（1879——1955）美籍德國人

1921年獲諾貝爾物理獎9狹義相對論的基本假設(shè)狹義相對論主要內(nèi)容：相對論性能量洛侖茲變換洛侖茲速度變換同時性的相對性運(yùn)動時鐘變慢和長度縮短相對論性質(zhì)量和動量相對論性力和加速度間關(guān)系10§1.力學(xué)相對性原理和伽利略變換一.力學(xué)相對性原理：一切力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中應(yīng)有相力學(xué)相對性原理源于牛頓的絕對時空觀。同的形式。力學(xué)現(xiàn)象對一切慣性系來說，都遵從同樣的規(guī)律。

伽里略1632年的敘述力學(xué)相對性原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為伽里略變換

。11二.經(jīng)典力學(xué)的時空觀(牛頓的絕對時空觀)

“絕對空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無關(guān)的，而且永遠(yuǎn)是相同的和不動的?！迸ｎD：絕對的、與物質(zhì)的存在和運(yùn)動無關(guān)絕對時間絕對空間

“絕對的真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時間自身地流逝著，而且由于其本性在均勻地、與任何外界事物無關(guān)地流逝著?！睍r間、空間間隔與慣性系的運(yùn)動無關(guān)。同時性是絕對的。12三.伽里略變換在兩個慣性系中考察同一事件的時空坐標(biāo)變換關(guān)系式。.P(x,y,z,t)且

O

'與

O重合時，yzxO設(shè)兩個慣性參考系S和S'

由時空間隔的絕對性,有：—

伽利略變換13—伽利略速度變換

對時間求導(dǎo)，得：加速度具有伽利略變換的不變性。14在S’中也有：在S中有：即：牛頓運(yùn)動定律具有伽利略變換的不變性。所以在不同慣性系中的形式不變。表明伽利略變換和力學(xué)相對性原理是一致的。用力學(xué)實(shí)驗(yàn)無法判定一個慣性系的運(yùn)動狀態(tài)。牛頓力學(xué)中力和質(zhì)量都與參考系的選擇無關(guān)，15電磁波（包括光）在真空中各方向速率都為

c。企圖找到“絕對靜止”參考系的實(shí)驗(yàn)當(dāng)時人們認(rèn)為這只對“絕對靜止”參考系才成立。19世紀(jì)下半葉，由麥克斯韋電磁場方程組得知：§2.狹義相對論的兩個基本假設(shè)一.伽利略變換的困難問題：1）此c是在什么參考系中測量？2）存在這個特殊的參考系？“以太”參考系16邁克耳遜-

莫雷實(shí)驗(yàn)(1)光線在OM1間來回所需時間與(2)光線在OM2間來回所需時間不同(1)(2)按伽利略變換將整個裝置旋轉(zhuǎn)90°,(1)(2)兩束光互換，在轉(zhuǎn)動過程中，應(yīng)能觀察到干涉條紋的移動。

實(shí)驗(yàn)均給出零結(jié)果（無干涉）。

設(shè)地球相對“絕對靜止”參考系的速度為17

邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果

Maxwell

電磁場方程組不服從伽利略變換

光速的測量不滿足伽里略變換。

愛因斯坦認(rèn)為：在任何慣性系中光速沿各個方向都是c，統(tǒng)一的，麥克斯韋方程組應(yīng)對所有慣性系成立。自然地解釋了邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。物質(zhì)世界的規(guī)律應(yīng)該是和諧這樣就二.狹義相對論的兩個基本假設(shè)

1905年愛因斯坦在《論動體的電動力學(xué)》一書中提出如下兩條基本原理：18在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的

若保持光速不變原理，２．光速不變原理光速不變原理與伽利略變換是彼此矛盾的，就必須拋棄伽利略變換，也就是必須拋棄絕對的時空觀。1．狹義相對性原理

一切物理規(guī)律在所有慣性系中都是相同的

。量值，都為

c。

狹義相對性原理是力學(xué)相對性原理的推廣。所有慣性系都是等價的。19目的：尋找適合光速不變原理的新的時空變換。xyzOx且O

與

O重合時，.P(x,y,z,t)

x§３．洛侖茲變換設(shè)兩個慣性參考系S和

S'

在

S系中:在

S'系中:20xyzOx.P(x,y,z,t)

x——洛侖茲變換同一事件在不同慣性系的時空變換關(guān)系21

則有：令正變換逆變換22

說明：2.c為一切可作為參考系的物體的極限速率，

即兩個物體之間的相對速度只能小于c。1.u<<c時，洛侖茲變換過渡到伽里略變換。23[例]在S系中觀察到的兩事件發(fā)生在空間同一地點(diǎn)，第二事件發(fā)生在第一事件以后兩秒鐘，在S'系中觀察到第二事件是在第一事件三秒鐘以后發(fā)生的。解：事件求：在S'系中測量兩事件之間的位置距離。S系S'系事件

由題意：求24由洛侖茲變換

2526

距離為27兩事件：S系:S'系:

同時發(fā)生在不同地點(diǎn)由洛侖茲變換得：

結(jié)論：對兩相對運(yùn)動的慣性系，如在其中一慣性系中測量兩事件在不同地點(diǎn)同時發(fā)生，則在另一慣性系中測量兩事件不同時。不同時§4.狹義相對論的時空觀一.同時性的相對性28

同時性的相對性是光速不變原理的直接結(jié)果，

同時性的相對性

同時性的相對性否定了各個慣性系具有統(tǒng)一時間的可能性，否定了牛頓的絕對時空觀。事件的先后順序也可能是相對的。ABCu例：車長10米，u=0.6c站臺c:A先向B開槍,車上的乘客:B先向A開槍,

29例題：S'系相對S系以u=0.6c運(yùn)動。有兩個事件，在S系中測量：x1=0，t1=0；x2=3000m，t2=4╳10-6s

，求

S'系中測量的相應(yīng)時空坐標(biāo)。解：由洛侖茲變換，得S'系中測量事件的時間順序與S系中的相比發(fā)生了顛倒。30由洛侖茲變換有：如果