狭义相对论讲义

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 六 章,Special relativity,电动力学,狭义相对论,2005,世界物理年,纪念爱因斯坦狭义相对论诞生,100,周年与爱因斯坦逝世,50,周年。,让物理走近大众，让世界拥抱物理,主要内容：,A.,爱因斯坦, 20,世纪最伟大的物理学家。,1879,年,3,月,14,日生于德国乌耳姆，,1900,年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。,1905,年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹,建立了狭义相对论，推动了整个物理学理论的革命。,1955,年,4,月,19,日在美国逝世。,相对论的基本原理 洛伦兹变换,相对论的四维形式,相对论的时空理论,相对论力学,相对论的实验基础,机动 目录 上页 下页 返回 结束,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句,:,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，,上帝说：,“,让牛顿去吧，,”,于是一切都成为光明。,后人续写道,:,上帝说完多少年之后，,魔鬼说：,“,让爱因斯坦去吧，,”,于是一切又回到黑暗中。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1905,年，除去博士论文外，爱因斯坦连续发表了,4,篇重要论文，其中任何一篇，都够得上拿诺贝尔奖。,3,月，发表了解释光电效应的论文，提出光子说；,5,月，发表关于布朗运动的论文，间接证明了分子的存在；,6,月，发表,“,论运动媒质的电动力学,”,的论文，提出了,狭义,相对论；,9,月发表了有关质能关系式的论文，指出能量等于质量乘光速的平方,E =,mc,2,。,狭义相对论的重点与难点,本章难点：,1,、同时的相对性、时钟延缓效应的相对性；,2,、相对论四维形式的理解；,3,、电动力学相对论不变性的导出过程,。*,本章重点：,1,、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验；,2,、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；,3,、理解同时的相对性和尺缩、钟慢效应，能够,熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题；,4,、了解相对论四维形式和四维协变量；,5,、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1,历史背景及重要实验基础,引言,牛顿力学,麦克斯韦电磁场理论,热力学与经典统计理论, 19,世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,两朵乌云：,迈克耳逊,莫雷“以太漂移”实验,黑体辐射实验,近代物理不是对经典理论的简单否定,近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论,狭义相对论,量子力学,近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的物理理论。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,正变换,在两个惯性系中分析描述同一物理事件,(event),一、伽利略变换,O,Z,X,Y,O,Z,(,X,),Y,v,P,(,x, y, z,),在,t,t,时刻，物体运动到,P,点,在,t,0,时刻，物体在,O,点,系重合,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Z,关于长度和时间的测量,在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与参照系无关，与内部结构无关，与运动无关。,运动长度的测量：在同一时间去测量物体的两端。,t,1,=,t,2,l = x,2,- x,1,X,O,Y,(x,1,t,1,),(x,2,t,2,),Y,v,X,机动 目录 上页 下页 返回 结束,逆变换,伽利略坐标变换式,伽利略速度变换式,伽利略加速度变换式,牛顿定律不变性,结论：在一切惯性系中，经典力学中的时空是绝对的,绝对时空观,时间是绝对的,空间是绝对的,时空相互分离,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二 力学相对性原理,(,Galilean Principle of Relativity),一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。,(1),在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；,不能在一个参照系内部做实验来确定该参照系相对另一系的速度。,三,经典时空理论的局限性,1,、光速可变并与光源运动相关,X,O,Y,Y,v,X,O,在 系光速各向同性,系光速各向异性,光沿 系,Y,轴传播的速度,光沿 系,X,轴传播的速度,击前瞬间,击后瞬间,先出球，后击球,-,先后颠倒,举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾,光传到乙的时间：,光传到乙的时间：,2,、麦氏方程不满足伽氏变换,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3,、伽氏变换下麦氏方程等可变性的三种看法,麦克斯韦方程不正确,伽利略变换不适合高速运动,电磁运动不服从相对性原理,4,、,“以太”概念及绝对参照系,“,以太,”,究竟为何物,？,（,1,）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；,（,2,）具有高弹性。电磁波一般为横波，以太应是一种固体 （,G,是切变模量，,是介质密度）；,（,3,）它只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。,光借助,“,以太,”,媒质,传播，相对静止的“以太”，光的传播速度各向同性，均为,C,。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,伽利略变换,相对性原理,麦克斯韦方程,三,迈克耳逊,莫雷实验,假定相对性原理不成立，麦克斯韦方程的形式仅在以太中成立。因此在地球上可以设计实验来验证地球相对“以太”的速度。反过来可以通过实验寻找“以太”静止的绝对参考系。,假定在“以太”中光速各项同性且恒等于,C,，,而在其它参考系 光速各项异性。,假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。,对光线（,1,） ：,地球系,以太风,机动 目录 上页 下页 返回 结束,对光线（,2,）,设,光程差,光程差与,条纹移动关系,仪器转动,引起干涉条纹的移动：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1,、地球相对以太静止论,地球为绝对参照系，光速在地球上恒为,C,且各向同性。这样显然光程差为零，在地球上实验条纹不移动。但此解释必然得出地球是宇宙中心的结论，同时太阳光在地球周围各向同性，但太阳相对地球运动，仍不符合经典速度合成。,迈克耳逊,莫雷实验的零结果，说明了“以太”本身不存在。,该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。,1881,年,迈克耳逊第一次实验，预期,1887,年,迈克耳逊和莫雷改进实验，预期,实验结果,迈克耳逊干涉仪精度可观测到,0.01,个条纹的移动。,1907,年迈克耳逊,因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖,四 对实验结果的几种解释,机动 目录 上页 下页 返回 结束,恒星光行差现象（,1727,年发现）：,观察恒星光线的视方向与“真实”方向之间有一夹角，这说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相对恒星的运动速,度,与光速合成的方向。,理论计算：,对太阳光的实验观测：,2,、拖曳理论,地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,静止光源光速为,C,，,运动光源光速改变，且各向同性。这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为,C,。,3,、发射理论,机动 目录 上页 下页 返回 结束,这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有关，则在,1,处光速相对地球为,C+v,，,2,处光速相对地球为,C,v,。在同一时刻观看,B,星不应是一亮点。,B,星不同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光速与光源运动无关。,1924,年用日光做迈氏实验，仍然无移动，证明双星实验正确。,地球,1,2,假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为,则在地球上观测，光沿,MM,1,M,时间：,沿,MM,2,M,无收缩,：,洛仑兹在此基础上建立了一套惯性系间的变换关系，可证明麦克斯韦方程在此变换下不变。但他没有突破经典时空观，没有建立相对论，并对自己结果持怀疑态度。长度为什么会收缩，长度定义是什么，变换中时间的意义是什么,？,因此,同,理：,4,、,收缩假定（,1892,年洛仑兹,斐兹杰惹）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,