第一节牛顿力学中运动的相对性第二节狭义相对论的两个基本假设

第六章第六章 相对论相对论第一节第一节 牛顿力学中运动的相对性牛顿力学中运动的相对性第二节第二节 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设世界物理年徽标世界物理年徽标 牛顿的经典力学牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的的基础就是以牛顿命名的三条定律，这一理论三条定律，这一理论形成于十七世纪形成于十七世纪，在以后，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。但是，进入大发展。但是，进入二十世纪二十世纪，物理学研究的，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发领域开始深入到了微观高速领域，这时人们发现现牛顿力学在这些领域不再适用牛顿力学在这些领域不再适用。物理学的发。物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要一场革命！一场革命！二十世纪初诞生的二十世纪初诞生的相对论和量子力学相对论和量子力学就是就是这场从经典物理向近代物理变革的标志这场从经典物理向近代物理变革的标志2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家爱因斯坦爱因斯坦一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理1 1、惯性系：、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系另一个参考系也是惯性系2 2、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是等价的。者说，任何惯性系都是等价的。4、伽利略速度变换公式、伽利略速度变换公式：3 3、经典时空观、经典时空观 伽利略相对性原理是作为基本假设提伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相成功；另一方面观察结果与人们的经验相符。符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现体运动有关的电磁现象时，发现在在电磁现电磁现象的规律不符合相对性原理象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的问题的问题 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的同，物体在空间移动这一概念也是相对的在不同参在不同参考系中观考系中观察物体的察物体的运动情况运动情况 光速恒定的特性，同运动的相对性原理光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？之间似乎产生了矛盾？但是实验现象表明，不论光源和但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的恒定的v v光速光速 光速光速 这一结论还特别为后来的很多精确的实验这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是所证实，最著名的是18871887年迈克尔逊和莫雷年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理原理.任何参照系中测得的光在真空的速率任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值都应该是这一数值 当时人们为了解决这个困难，提出了三种当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：可能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。程组应满足伽利略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。下具有不变性。二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初，物理学家们曾经猜想，世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做有一种叫做以太以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太宇宙间不存在以太麦麦克克尔尔逊逊莫莫雷雷实实验验迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验实验原理图实验原理图 实验干涉条纹实验干涉条纹 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质声波一样，是靠一种媒质(以太以太)传播的，传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的运动学理论相矛盾。这却与经典的运动学理论相矛盾。上述的矛盾使物理学家面临两个选择，上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一一是修正现有的理论，去迎合实验结果是修正现有的理论，去迎合实验结果（这（这相对比较容易，但常常无效）；相对比较容易，但常常无效）；另一种主另一种主张张彻底摆脱彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提出了两个假设出了两个假设.三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设1 1、爱因斯坦爱因斯坦相对性原理相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的是相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。动没有关系。就是在看来如此简单且最一般的两个假设的就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭狭义相对论义相对论对两个基本原理的正确理解对两个基本原理的正确理解自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；学规律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技术几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。测量光速，结果都不违背光速不变原理。小小 结结一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1 1、爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦相对性原理相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是相同的都是相同的 2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相同相同的，的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。相相相相对对对对论论论论的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差别别别别很很很很大大大大，很很很很难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所理理理理解解解解。人人人人们们们们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又常常常常常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大的的的的内内内内容容容容。这这这这使使使使人人人人们们们们想想想想起起起起英英英英国国国国诗诗诗诗人人人人波波波波谱谱谱谱歌歌歌歌颂颂颂颂牛牛牛牛顿的诗句顿的诗句顿的诗句顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道后人续写道后人续写道:上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。