第十五章相對(duì)論簡(jiǎn)介 15 1相對(duì)論的誕生 一 問(wèn)題的提出 如果有人對(duì)你說(shuō) 你頭腦中的一些概念是不科學(xué)的 你相信嗎 一 問(wèn)題的提出 人們頭腦中的概念從科學(xué)性來(lái)講 可以分為兩類 第一類是科學(xué)的 第二類是經(jīng)驗(yàn)的 但不是科學(xué)的 一 問(wèn)題的提出 請(qǐng)問(wèn) 1 標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度靜止時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的長(zhǎng)度是一樣嗎 2標(biāo)準(zhǔn)鐘的快慢運(yùn)動(dòng)時(shí)和靜止時(shí)是一樣嗎 在高山頂和山谷是一樣嗎 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 1 空間 人們通常所說(shuō)的空間量 不外乎線的長(zhǎng)度 平面物曲面的面積 形體的體積等等 它們都可以用標(biāo)準(zhǔn)尺來(lái)量度 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 2 時(shí)間 通常 時(shí)間不外乎兩個(gè)事件的時(shí)間間隔 一個(gè)事件比另一個(gè)事件發(fā)生得早些或晚些 兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生等等 原則上時(shí)間都可以用標(biāo)準(zhǔn)鐘來(lái)量度 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 3牛頓在他所著的 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 一書(shū)中寫道 絕對(duì)的空間 本質(zhì)上是與外界無(wú)關(guān)的 是同一的和靜止的 絕對(duì)的時(shí)間 本質(zhì)上是一種與外界物體無(wú)關(guān)的均勻流動(dòng) 這就是牛頓力學(xué)中的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間概念 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 4 空時(shí)坐標(biāo) 1 空間坐標(biāo) 需要3個(gè)空間量 比如 x y z 2 空時(shí)坐標(biāo) 需要4個(gè)數(shù) 比如 x y z t 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 5 速度合成法則 1 伽利略變換式 設(shè)有兩個(gè)參考系s和作勻速運(yùn)動(dòng) 且s 相對(duì)s沿x軸以速度v運(yùn)動(dòng) 則事件p在兩坐標(biāo)系中變換關(guān)系是 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 5 速度合成法則 2 速度合成法則 設(shè)質(zhì)點(diǎn)在在s 中的速度為u 則在s中的速度為u u v 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 6 慣性系 牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系 凡是相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 7 牛頓力學(xué)中的相對(duì)性原理 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)形式在所有的慣性系中都是相同的 或者說(shuō) 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)形式在伽利略變換是不變的 二 幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律 7 牛頓力學(xué)中的相對(duì)性原理 其它表述 1 在任何兩個(gè)慣性系中做同一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)都會(huì)得到相同的結(jié)果 2 用任何力學(xué)方法都無(wú)法將兩個(gè)慣性系分開(kāi) 3 對(duì)于描述力學(xué)現(xiàn)象 所有的慣系都是平權(quán)的 三 經(jīng)典物理學(xué)的困難 1 在經(jīng)典物理學(xué)中 牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠描述所有力學(xué)現(xiàn)象 2 在電磁學(xué)領(lǐng)域 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論能描述所有的電磁學(xué)現(xiàn)象 并指出 在任一慣性系中 光速各向同性 大小都等于c 3 問(wèn)題 假設(shè)光s在中的速度是c 它在s 中的速度是多少 但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明 不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 光速都是恒定的 v 光速 光速 19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初 物理學(xué)家們?cè)?jīng)猜想 有一種叫做以太的介質(zhì) 彌漫在宇宙中 它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì) 拿以太做參考系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立 今天看來(lái) 以太是某一特殊參考系的代表 麥克爾遜實(shí)驗(yàn)表明不存在這樣的特殊參考系 實(shí)際上就是宣布宇宙間不存在以太 麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn) 這一結(jié)論還特別為后來(lái)的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí) 最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn) 它們都明確無(wú)誤地證明光速的測(cè)量結(jié)果與光源和測(cè)量者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān) 亦即與參照系無(wú)關(guān) 可見(jiàn)光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對(duì)原理 任何參照系中測(cè)得的光在真空的速率都應(yīng)該是一樣的 當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難 提出了三種可能 1 麥克斯韋電磁理論有錯(cuò) 正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性 2 牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對(duì) 但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立 3 牛頓力學(xué)與伽利略變換不對(duì) 應(yīng)存在某種變換 麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性 這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改 修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性 上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個(gè)選擇 一是修正現(xiàn)有的理論 去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)果 這相對(duì)比較容易 但常常無(wú)效 另一種主張徹底擺脫 麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系 創(chuàng)立全新的理論 愛(ài)因斯坦 龐加萊等人選擇了后者 并提出了兩個(gè)假設(shè) 四 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 1 狹義相對(duì)性原理在不同的慣性參考系 一切物理規(guī)律都是相同的2 光速不變?cè)碚婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中是相同的 光速與光源 觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系 對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解 自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律 還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律 真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng) 也不依賴于光的傳播方向 幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速 結(jié)果都不違背光速不變?cè)?相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大 很難被普通人所理解 人們都稱贊愛(ài)因斯坦偉大 但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)