第六章 狹義相對論

狹義相對論A.愛因斯坦(1879~1955)二十世紀最偉大的自然科學(xué)家,物理學(xué)革命的旗手。(1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎)19世紀末頁，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律---能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。相對論背景

正于是1900年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到：也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了。”--開爾文--熱輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，----”普朗克量子力學(xué)的誕生相對論問世經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域愛因斯坦——公眾謂之人類最高智慧的象征愛因斯坦的主要科學(xué)貢獻：光的量子論、狹義相對論和廣義相對論。阿爾伯特愛因斯坦1879年3月14號出生于德國。1900年他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)畢業(yè)。1902年在伯爾尼的瑞士專利局被聘為三級技術(shù)員。1905年，愛因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了史無前例的奇跡，推動了整個物理學(xué)理論的革命。1955年4月19日在美國逝世。

1905年，除去博士論文外，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了4篇重要論文，其中任何一篇，都夠得上拿諾貝爾獎。3月，發(fā)表了解釋光電效應(yīng)的論文，提出光子說；5月，發(fā)表關(guān)于布朗運動的論文，間接證明了分子的存在；6月，發(fā)表“論運動媒質(zhì)的電動力學(xué)”的論文，提出了狹義相對論；9月發(fā)表了有關(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。20熱05世界脹物理配年紀念禍愛因稍斯坦猛狹義謙相對喊論誕惠生10漏0周年輝與愛越因斯講坦逝倆世50周年合。讓物帳理走六近大比眾，桌讓世城界擁卵抱物咸理相對淹論有無狹義脹相對介論廣羞義相繼對論芽之分煌：關(guān)于慣性系時空觀的理論狹義相對論（1905）廣義相對論（1915）關(guān)于一般參照系及引力的理論狹義另相對犬論僅限筒于慣金性參傾照系銅，特士別對扭微觀術(shù)高速脹運動織的粒宿子（1）狹兵義相燥對論沖的兩浩個基島本原拴理（2）有凝關(guān)時受空結(jié)仆構(gòu)和沃物質(zhì)槍、運驅(qū)動聯(lián)殿系的爬一個本時空演觀廣義晚相對拖論的蹲三個陰著名念預(yù)言：1、光束燃彎曲銀2、引案力紅牽移3、水品星近叫日點怠的進檢動它們革已在掉不同躁精度毒上得停到了塊證實爆，因擱而可善以說民是“廣辛義相娘對論蜜的三盤大實溜驗驗否證”智。愛因岔斯坦輸建立蜜廣義階相對廉論后轎的五今十年趙間，說基本火上只烏有這“三船大驗棉證”。直奸到六垮十年磨代，穴美國蔑物理且學(xué)家陡夏皮割羅等責人才俱提出餅了“第四型驗證”——雷達糟回波府的時尼間延姻遲。廣義舞相對訪論作注為一鉗種引謹力理盆論，疤盡管熔在理覆論上省還存攻在不昂少問遲題，桿但比咐起其儀它引幸力理冊論來評，在乖解釋側(cè)目前那為數(shù)肚不多裂的實燦驗上輔，仍碧然占百著領(lǐng)拾先的悠地位嗚。它敘的觀精點和兇方法絮，在句整個濃二十跟世紀競理論仗物理滾中不才僅是礙一項磨非常甲重大足的收遞獲，娛而且羞對物畢理學(xué)縮慧和有勻關(guān)數(shù)紋學(xué)分嗚支的敏發(fā)展毫產(chǎn)生蜻了十倒分深抱刻的約影響柴。相對流論的寨時空寫觀念做與人系們固喚有的仗時空滾觀念糕差別蛇很大惱，很夕難被龜普通沙人所在理解秘。自然徒界和臭自然豬界的框規(guī)律松隱藏誘在黑病暗中賞，上帝傍說：謝“讓霧牛頓者去吧妹，”伴于是姜一切冒都成商為光抬明。后人對續(xù)寫決道:上帝起說完絞多少魔年之壓后，購魔鬼郵說：昨“讓紀愛因愉斯坦畢去吧責，”于是督一切聲又回屢到黑農(nóng)暗中矮。愛因柄斯坦:Ei虛ns絮te縱in牛頓:Ne拳wt潔on絕對時空觀現(xiàn)代時空觀伽利略變換洛倫茲變換經(jīng)典禽力學(xué)談的相燦對性涌原理相對疲性原蕉理(對于杏不同押的慣塑性系愚，對難于運聯(lián)動的稱描述騰是相邀對的員，但輩是力表學(xué)的頭基本鹽定律--賄-牛頓斷定律溪，其越形式擔都是字一樣鑰的。構(gòu)）物理橡規(guī)律脹對所嫁有慣徐性系修都是擺一樣聰?shù)?，丸不存濤在任烈何一之個特羞殊的權(quán)（例伏如“卷絕對缸靜止愛”的兩）慣顫性系季。長度湊的量有度與霧參考聲系無閣關(guān)．時間碼的量豎度與違參考琴系無府關(guān)空間撥和時泊間彼斯此獨瓶立空間盈和時革間是索緊密昌相聯(lián)暗的長度娃的量藝度與銜參考蛙系有高關(guān)．時間面的量攤度與制參考北系有能關(guān).絕對痕時空晨觀現(xiàn)代撞時空公觀伽利紫略坐精標變紋換與重合位置坐標變換公式經(jīng)典債力學(xué)蒙認為供：1）時濕間的祥量度底是絕上對的續(xù)，與刮參考劣系無怪關(guān)；2）空剪間的睡量度彎也是飾絕對下的，罪與參傍考系芹無關(guān).*伽利備略變蒼換一切授慣性擔系都伍是等蕉價的經(jīng)典鎮(zhèn)力學(xué)燒的相古對性遵原理若u＝常矢量對于不同的慣性系，對于運動的描述是相對的，但是力學(xué)的基本定律---牛頓定律，其形式都是一樣的。經(jīng)典力學(xué)的相對性原理：伽利跳略變今換的淹困難光速c伽利艙略變肥換:麥克結(jié)斯韋幫電磁禮場理淘論:利用遭伽利姑略變勤換對幕電磁基現(xiàn)象易的基霉本規(guī)路律進銅行變西換，賠發(fā)現(xiàn)柴這些叢規(guī)律聞對不資同的遣慣性繼系不炎具有匹相同步的形忘式。（3）力菊學(xué)滿韻足相流對性待原理直只是汁偶然絕，相口對性黎原理翼不是羨普遍航原理飲，電涉磁學(xué)憶理論憲只在特殊戴的慣參性系中成亞立。解決紙矛盾遇的可作能方荒案：經(jīng)典離力學(xué)驚的相鍵對性盤原理磚與麥波氏電趣磁理威論的瓜矛盾（1）電表磁學(xué)嫂理論股需要玩修正臂。（2）伽炸利略默變換綢和牛豪頓力壺學(xué)的膨時空手觀有跑問題搞。1.相對部性原炎理物理禁規(guī)律呆對所口有慣錘性系嫁都是權(quán)一樣驕的，惡不存池在任愿何一兼?zhèn)€特月殊的賄（例濟如“助絕對解靜止騎”的杏）慣姨性系帖。2.光速踏不變蠶原理在一梯切慣霸性系豈中，筒光在佳真空埋中的徑速率蝴恒為c，與光速源的爆運動斷狀態(tài)快無關(guān)著。6-神2愛因梅斯坦名相對集性原古理、桃光速滴不變一、狹義貌相對峽論的漠兩條截基本曉原理洛倫赴茲坐棕標變還換與重合*伽利凡略變勁換正變換洛侖欺茲變凱換式對于絕洛侖穿茲變鋤換的捷說明旺：1、在塌狹義航相對曬論中提，洛亂侖茲擔變換燒占據(jù)潔中心膏地位篩；2、洛裝侖茲腳變換稍是同一內(nèi)事件滴在不斧同慣芬性系中兩雞組時賽空坐殊標之礦間的甩變換局方程吐；3、各贏個慣陽性系煉中的痕時間膊、空養(yǎng)間量躲度的兔基準排必須雹一致戴；4、相遼對論支將時鴉間和普空間君，及蘿它們報與物詢質(zhì)的獄運動法不可紋分割尤地聯(lián)眼系起右來了售。5、洛瞧侖茲鋪變換爭與伽促利略剃變換凡本質(zhì)紅不同礎(chǔ)，但所是在低速市和宏錯觀世揚界范傻圍內(nèi)洛灣侖茲拘變換溪可以眠還原歐為伽宅利略棋變換粒。洛侖絞茲變切換中獎蘊含賊的狹義傾相對型論的垂時空陳觀1.同時伍的相谷對性2.時間鼻度量績的相佩對性3.空間保度量稿的相井對性相對第論效沿應(yīng)6－3同時翠的相從對性皆和時茶間延臭緩一、棕同時郵的相叼對性事件1：車球廂后壁接蘇收器長接收爐到光承信號.事件2：車鳥廂前壁接傻收器久接收燦到光句信號.沿兩拳個慣秒性系諒相對咽運動未方向摘發(fā)生尋的兩斑個事掙件，匠在其遼中一醋個慣故性系梅中表鋼現(xiàn)為同時的，習在贊另一魚慣性響系中笨觀察銳則不同衣時。結(jié)論擾：——同時澡的相堤對性用洛強倫茲喘變換皂式證匹明同窗時性憶的相蹲對性埋。事件2

系(車廂參考系)S系(地面參考系)事件1證明：時，得證貍：一冷慣性皮系中慢的不同星地點的同總時事窗件，謝在另放一慣粗性系厘中觀順測結(jié)路果不防同時店。同時把的相喂對性在一羊個慣垃性系梯中不老同地岸點同程時發(fā)黨生的衡兩個費事件做在其安他慣斤性系諷中不小再是傷同時勿事件睛。只有叼在一桐個慣銜性系掉中同芳時同脂地發(fā)脹生的竄兩個繩事件難，在旺另一贊個參運考系餡中才包是同免時同擱地發(fā)求生的狠。K系中發(fā)板生的初兩個駱事件就和掛。僑若K’系以駱高速u相對k系沿x軸方向照運動趨，k’系測得蹄這兩及個事頂件必定是（模）統(tǒng)。A.同時事件B.不同斷地點發(fā)生泳的同時事件C.即非同茅時，也非同息地D.無法濾確定時序槽與因例果律子彈前事件1：開槍在S中：后事件2：鳥死在S'中：涂是否桑能發(fā)引生先貧鳥死章，后秒開槍皇？在S中：先開槍賽，后鳥死子彈枯速度信號詳傳遞齒速度所以澤由因果倡律聯(lián)系閘的兩活事件勸的時抵序不渴會顛悅倒。在S'系中疏：仍然查是開吼槍在秩前，植鳥死百在后紙。分析桿：運洲動麗的棚鐘肉走經(jīng)得捧慢二、時間魂延緩在S系中溫觀測摟兩事滑件系同一地點B

發(fā)生兩事件發(fā)射一光信號接受一光信號時間頂間隔時間間隔在S系時間測量的相對性同一地點旨發(fā)生置的兩事件螺的時深間間月隔.固有文時間固有時間相對爛于所梁研究鋤的參唐考系泊是靜船止的豪鐘測恢得的怠兩事撕件的痰時間拜間隔強；

3）時，.2）時間燭延緩究是一翼種相爐對效早應(yīng).1）時間數(shù)的流滑逝不叢是絕奮對的電，運建動將雄改變越時間顛的進簽程.說明相對暈論效艱應(yīng)：運動的鐘抹走得慢——時間俯延緩固有木時最舒短例6.臘1一飛場船以u=9×帽103m/彼s的速沾率相冒對與封地面剃勻速國飛行香。飛娘船上定的鐘漏走了5s,地面主上的優(yōu)鐘經(jīng)請過了垂多少穩(wěn)時間蘇？解：飛船緊的時精間膨膛脹效闊應(yīng)實茫際上但很難辣測出例6.屈2帶正鮮電的寧介子墓是一中種不哪穩(wěn)定謝的粒煉子?？籍斔o止吵時，從平均緣瑞壽命鍛為扮，疤過后齡即發(fā)儀生衰某變。尸今產(chǎn)女生一彩束佛介子籌，在俊實驗駐室測搏得它排的速聞率為u＝0.更99這c，并測壇得它艱在衰適變前頭通過斃的平汁均距含離為52榮m。這些肥測量傭結(jié)果辜是否苦一致遣？固有時通過殼的平耗均距聚離：與實室驗結(jié)則果很販好的膝符合冊！某種切介質(zhì)橡靜止哄時的留壽命它是枕，惰如它初以速站度夢的速價度運嫂動，允它能藥飛行撈的距稱離s為（證）長度添測量賭的定漸義：在某她一參頭考系祖中，新測量熟物體舟的長腥度，捎就是警要測銹量它蒸的兩洪端點遍在同一傲時刻的位肉置之某間的緣瑞距離求。同時勒的相慣對性長度案測量擊的相傾對性三、長度貸收縮長度何收縮當

時.

長度鮮收縮晚是一仁種相對效應(yīng),此結(jié)廈果反妖之亦渾然.注意固有長度：棒靜止時測得的它的長度叫棒的靜長或固有長度.（最長）運動些物體吃在運動奸方向上發(fā)生壩長度幸收縮.《物理樹世界們奇遇竭記》--且--城市小速度棕極限湯普步金斯因先生街道職縮短餅了商店橫的櫥膀窗變宅得像鑼一條千條狹?？p人行射道上墨步行記的人倚則變吳成他壯有生拖以來矩第一虎次見釋到的稱細高童條--役--款-相對掀性例6.掠3固有廳長度辜為5m的飛垂船以坦的速棟率相棗對于淚地面帶勻速擠飛行籮時，悼從地樂面上故測量燃，它扣的長布度是故多少固？固有長度6.冬5在S系中饅觀察趙到在罷同一期地點虜發(fā)生品兩個嘩事件脹，第糖二事倍件發(fā)寄生在副第一銜事件物之后2s，在跪系位中觀示察到朋第二坦事件鍵在第駝一事殺件后3s發(fā)生翁。求關(guān)在舟系前中這平兩個鍋事件艇的空表間距辱離。練習異：天津么和北揀京相僑距12荷0k依m(xù)，在朗北京宜于某品日上爹午9時有皺一工摩廠因便過載孔而斷比電，污同日肢在天這津于9時0分0.冰00邁03秒有課一自模行車褲與卡志車相膨撞。降試求拒在以普的速有率沿益北京之到天盲津方筒向飛違行的狐飛船叉中，香觀察湊到的袍這兩孫個事媽件之刪間的擾時間竊間隔敘？總結(jié)1.相對發(fā)性原嶺理物理米規(guī)律己對所此有