愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人愛因斯坦(AlbertEinstein,1879―1955)

美國物理學家，1921年諾貝爾物理學獎金獲得者。

1946年，愛因斯坦67歲時，寫下了一篇“自述”，“講一講一個人自己努力和探索過的事情，在回顧中看起來是怎樣的”，并講“一個人還是可以從自己的經(jīng)驗里提取許多別人所意識不到的東西”。這些東西是什么呢？這位相對論的創(chuàng)立者，有什么獨特的經(jīng)驗，使他在1905年，年方26歲的時候開創(chuàng)了現(xiàn)代物理學的新紀元呢？愛因斯坦在"自述"中講到有三件事曾打動了他的心，并對他的科學成長起過重要的作用。一件是在四、五歲的時候，他得到了一個指南針。使他感到驚奇的是：指南針總是指著一個方向！在這茫茫虛空之中，是什么迫使它以確定的方式行動呢？一個心中只有直接"接觸"作用經(jīng)驗的孩子，那空間神秘的自然力，在他頭腦中烙下了"一個深刻而持久的印象"，表現(xiàn)了他素有的"神圣的求知欲"。以后，在廣義相對論中，他天才地解決了這個難題。愛因斯坦常稱這種由"天賦的好奇心"激發(fā)的"求知欲"是一切自然科學技術成就的"起源"。

另一件事是在他的學生時代。那時他才12歲，“這是在一個學年開始的時候，當我得到一本關于歐幾里德平面幾何的小書時所經(jīng)歷的。這本書里有許多斷言，比如‘三角形的三個高交于一點’，它本身雖然并不是顯而易見的，但是可以很可靠地加以證明，以至任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我造成了一種難以形容的印象?！睅缀握撟C的清晰可靠與幾何圖形的鮮明精致深深打動了他，使他的思維有鮮明形象性的特點。他對斯賓諾莎“依照幾何學的習慣”，即力求按幾何學的形式，用公理、定理和定義的方式表達自己的哲學觀點懷有深深的敬意。成為這位未來研究家的主要思想方式。第三件事是在愛因斯坦13歲的時候，有一位來自波蘭的猶太大學生，引導他閱讀阿隆·伯恩斯坦（A.Bernstein）的《自然科學通俗讀本》。這是一部有五、六卷幾乎局限于定性敘述的著作。他"屏息入神"地讀完了這本通俗讀物，"知道了整個自然科學領域里的主要成果和方法"，遇到了對光速這樣一種自然現(xiàn)象的分析。該書把光速問題放在第一卷的最前列。這問題一直縈繞在他的腦際，對十二年后相對論的創(chuàng)立有奠基性的意義。

他說，"這些學習確實是令人神往的"，愛因斯坦曾是一位非常誠實、內(nèi)心里深深信仰上帝的少年。十二歲時，"由于閱讀了通俗的科學著作（主要是畢希納（L.Bnchner）的《力和物質(zhì)》這本著作），我很快就相信，《圣經(jīng)》里的故事有許多不可能是真實的"，內(nèi)心為此感到極大的震動。"這種經(jīng)驗引起我對所有權(quán)威的懷疑。這種態(tài)度再也沒有離開過我"。正是這種懷疑態(tài)度，成了他在物理學中取得革命性成就的基本前提之一。擺脫了宗教的束縛，使他走上了獻身科學的道路。"在我們之外有一個巨大的世界，它離開我們?nèi)祟惗毩⒋嬖?。它在我們面前象一個偉大而永恒的謎?！谖覀兲峁┑囊磺锌赡芊秶?，從思想上掌握這個在個人以外的世界，總是作為一個最高目標而有意無意地浮現(xiàn)在我們的心目中，……，通向這個天堂的道路，并不象通向宗教天堂的道路那樣舒坦和誘人。但是，它已證明是可以信賴的，而且我從來也沒有為選擇了這條道路而后悔過"。

愛因斯坦同牛頓一樣，除了他的天才條件外，還有一種令人幾乎難以置信的全神貫注于一個科學問題的能力。正如有一次他對助手所講的："上帝分配才能的方式是不近人情的，真的，他除了給我騾子般的頑強以外，別無所有。不過，他也給了我一種敏銳的覺察能力"。愛因斯坦從提出"已經(jīng)包含了狹義相對論的萌芽"的理想實驗到解決這個問題，進行了十年的研究工作。

愛因斯坦對于科學事業(yè)的偉大貢獻是多方面的。他不僅僅是相對論的創(chuàng)始人，而且是一位多學科的理論研究家。即使他不是相對論的創(chuàng)始人，他仍然是科學史上最偉大的物理學家之一。他的科學業(yè)績主要包括四個方面：早期對布朗運動的研究；狹義相對論的創(chuàng)建；推動量子力學的發(fā)展；建立了廣義相對論，開辟了宇宙學的研究途徑。1905年創(chuàng)建的狹義相對論和1921年創(chuàng)建的廣義相對論是愛因斯坦的最重要的科學研究成果，而1921年的諾貝爾物理學獎金則是由于他提出了光的量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應定律而獲得的。第五章狹義相對論基礎

§1伽利略變換和力學相對性原理

§2狹義相對論的基本原理、洛侖茲變換

§3狹義相對論的時空觀

§4相對論質(zhì)量、動量和能量

主要內(nèi)容：牛頓的時空觀愛因斯坦的時空觀愛因斯坦的狹義相對論

牛頓的相對性原理伽利略變換相對性原理、光速不變原理革命性的洛侖茲變換運動學效應時間膨脹長度收縮本章：將對運動與時空有一嶄新的認識時間不變長度不變速度相對本章學習目的：正確的認識基于客觀事實（規(guī)律）主觀意識往往是片面的科學的方法結(jié)論（與經(jīng)驗不符但真實可信）教育人們：主動擺脫經(jīng)驗的束縛，以事實為依據(jù)，建立科學的方法，得到正確地認識。研究對象：在兩個參照系中研究同一物理事件，記錄的時空坐標不同，但兩記錄間存在內(nèi)在聯(lián)系。uss’相對運動：u<<c狹義相對論：u→c

對相對性已有的認識：運動描述與參考系有關,

運動規(guī)律與參考系無關。對牛頓力學的認識,

牛頓定律：適用于慣性系

相對性問題的核心是：物理規(guī)律是客觀存在的，與參考系無關。即參考系平權(quán)，沒有特殊的參考系。歸根結(jié)底是：

認識論方法論的問題。

教育人們要脫離自我，經(jīng)驗

客觀地看問題。A君以我為標準：A君說：頭朝上。B君也說：頭朝上。B君問題是：A君看B君，大頭朝下！如：什么是上？下？科學的語言必須準確！

必須用規(guī)律來表述。

萬有引力定律：

下：指向地心。教育人們超越自我沒有特殊參考系的觀點，就是以客觀規(guī)律為準的觀點。沒有特殊參考系就是各參考系平權(quán)。平權(quán)就是各向同性，就是對稱性。學習本章的正確態(tài)度1)超越自我認識的局限2)自覺擺脫經(jīng)驗的束縛

--以事實為依據(jù)

牛頓的相對性原理狹義相對性原理廣義相對性原理

適用范圍慣性系宏觀低速慣性系所有參考系逐漸深化的過程明確本章研究的問題:

在兩個慣性系中考察同一物理事件實驗室參考系定為S系運動參考系定為S'系通常：兩記錄間有內(nèi)在聯(lián)系相對論問題包括兩個方面：1.物理規(guī)律與參考系無關－－相對性原理2.在兩個參考系中對同一事件的記錄不同，之間存在一個變換關系－－－變換式變換式與相應的相對性原理相對應。牛頓力學的相對性原理對應伽利略變換；狹義相對性原理對應洛侖茲變換。在基本觀點明確的前提下，重要的是變換式?！?伽利略變換和力學（牛頓）相對性原理一、伽利略變換二、牛頓的相對性原理在兩個慣性系中考察同一物理事件一、伽利略變換設慣性系S和相對S運動的慣性系S

在t=0時刻重合t時刻物體位于P點長度的測量與參照系無關逆變換正變換長度的測量與參照系無關時間的測量與參照系無關速度變換與加速度變換正逆正變換用S系的時間求導牛頓時空：時間量度與參考系無關，即速度變換正逆

加速度變換慣性系在兩個慣性系中二、牛頓的相對性原理在牛頓力學中質(zhì)量與運動無關力與參考系無關宏觀低速物體的力學規(guī)律在任何慣性系中形式相同或牛頓力學規(guī)律在伽利略變換下形式不變牛頓的相對性原理如：動量守恒定律（以兩質(zhì)點碰撞為例）利用伽利略變換動量守恒定律在伽利略變換下形式不變經(jīng)典的時空觀1、長度的測量與參照系無關2、時間的測量與參照系無關3、質(zhì)量的測量與參照系（狀態(tài)）無關4、牛頓力學規(guī)律在所有的慣性系中表述相同5、適用條件：宏觀、低速伽利略變換§2狹義相對論的基本原理：洛倫茲變換一、伽利略變換的困難二、愛因斯坦的狹義相對論基本假設三、同時性的相對性四、洛倫茲變換一、伽利略變換的困難1)電磁場方程組不服從伽利略變換真空中光速C的測量各向同性

邁克耳遜-莫雷的0結(jié)果3)高速運動的粒子

經(jīng)典電磁理論認為光是在一種稱為以太的介質(zhì)中傳播的。把以太選作為絕對靜止的參照系。相對于以太的運動稱作為絕對運動。根據(jù)力學相對性原理，任何慣性系都是等價的，無法借助于力學實驗的手段來確定慣性系自身的運動狀態(tài)。是否可以借助于光學實驗的手段來發(fā)現(xiàn)相對于以太的運動呢？一、絕對靜止參照系以太邁克耳遜—莫雷實驗發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想以太海以太參照系u發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.以太海以太參照系u光信號車廂中點發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.AB以太海以太參照系u光信號車廂中點發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.AB以太海以太參照系u光信號光在以太中的速度是根據(jù)伽利略速度變換c,在車上的觀察者認為：車廂中點發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.AB以太海以太參照系u光信號光在以太中的速度是根據(jù)伽利略速度變換c,光向A傳播速度為cu在車上的觀察者認為：cu車廂中點發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.AB以太海以太參照系u光信號光在以太中的速度是根據(jù)伽利略速度變換c,光向B傳播速度為+cu在車上的觀察者認為：+cu車廂中點光向A傳播速度為cu發(fā)現(xiàn)絕對運動的實驗設想.AB以太海以太參照系u光信號光在以太中的速度是根據(jù)伽利略速度變換c,光向A傳播速度為光向B傳播速度為cu+cu在車上的觀察者認為：所以：B先接受到光信號+cucu車廂中點

利用兩光到達A、B的時間差可以測出車廂相對于以太的運動速度。M1M2*Suu地球相對以太的速度（公轉(zhuǎn)速度）

邁克耳遜—莫雷利用干涉儀，企圖測出地球相對于以太的運動速度。

二、邁克耳遜—莫雷實驗cu22cu22cucu+1221l1l2u光地以，光，地，以uu=+cu=+u光地，往返22c地以uu光地，u光地，地以uc往返22=u光地，cu22=u光地，cu22往返11=u光地，=u光地，cucu+t+=1t=2l1l2cu22cucu+l1+l2cu22，ucδ=tΔ=t+=1l1cucu+l1cl12()1c21u2=t=2l2cu22+l2cu22=cl22()1c21u2t1t2()c將干涉儀轉(zhuǎn)900后：δ=l22c21u2l12δΔ=δδ儀器旋轉(zhuǎn)后，由于光程差發(fā)生變化，應該能觀察到干涉條紋的移動。=l12c21u2l22c21u2c21u2

但是，在實驗中并沒有觀察到干涉條紋的移動。以后又在不同季節(jié)、不同緯度、不同時間進行實驗，都沒有觀察到干涉條紋的移動。邁克耳遜—莫雷實驗否定的結(jié)果說明：

1.絕對參照系是不存在的；

2.借助于光學實驗的手段也無法確定慣性參照系自身的運動狀態(tài)。小結(jié)電磁理論不滿足伽利略變換由伽利略變換得到的在絕對靜止參照系中，真空中的光速各向同性絕對靜止參照系不存在（莫-雷實驗）真空中光速的測量各項同性（客觀事實）電磁理論正確（客觀事實）

——適用于所有的慣性系二、愛因斯坦的狹義相對論基本假設1.一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同

---

相對性原理2.光在真空中的速度不因參照系的選取而改變

----光速不變原理1）

Einstein

的相對性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學規(guī)律大小2）光速不變與伽利略變換與伽利略的速度相加原理3）觀念上的變革牛頓力學

時間長度質(zhì)量速度與參考系有關(相對性)狹義相對論力學光速相對性原理與參考系無關(相對性)長度時間質(zhì)量速度與參考系有關——針鋒相對伽利略變換洛倫茲變換此時，從O點發(fā)一閃光經(jīng)一段時間光傳到P點三、洛侖茲變換的導出重合尋找兩個記錄間的變換關系由光速不變原理：由于運動發(fā)生在x方向，由發(fā)展的觀點：狹義牛頓力學有<<情況下推導思路：p由空間均勻各向同性：與的變換應滿足線性關系低速下是伽利略變換由相對性原理：在所有慣性系中，規(guī)律有相同的表述：u<<c(伽利略變換）消x或x’其中：二、洛侖茲變換坐標變換式正變換令則：正變換逆變換1）與時空坐標相關伽利略變換發(fā)展2）<<討論變換無意義速度有極限實際信號傳遞速度都不可能超過光速3）>§3狹義相對論時空觀一、時間膨脹二、長度收縮三、時空不變量一般步驟：1、確定兩參照系s、s’系2、確定研究對象：過程（始）事件1事件23、兩個記錄間有洛倫茲變換4、注意：物理規(guī)律的表述不因慣性系的選取而改變。),(:11txs（末）一、同時的相對性事件1事件2兩事件同時發(fā)生？sS’ux若說明了同時性的相對性，從上述式子，可產(chǎn)生一個疑問：時序與因果關系已知？>0<0事件1：子彈出膛子彈時序:兩個事件發(fā)生的時間順序。在實驗室參考系中，應先開槍后中靶。在高速運動的參考系中，是否能先中靶，后開槍？結(jié)論：有因果律聯(lián)系的兩事件的時序不會顛倒！事件2：中靶>0

所以有因果聯(lián)系的兩事件的時序不會顛倒。t2t1>所以′′子彈速度信號傳遞速度因為<二、時間膨脹運動時鐘變慢考察一只高速運動的時鐘指針方法：研究一個物理過程（動鐘指針位置變化）的時間間隔研究事件的特點：動鐘指針變化發(fā)生在S’系同一位置。研究對象動鐘指針初位置特殊條件動鐘指針末位置由洛侖茲逆變換動鐘變慢，時間膨脹<1>1.原時Propertime兩地時2.原時最短時間膨脹

在某一參考系中，同一地點先后發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔叫原時、本征時、固有時考察S'

中的一只鐘兩地時原時一只鐘2）對同一過程，原時(相對過程靜止的參照系測得、過程發(fā)生在參照系的同一地點）只有一個例：基本粒子子的壽命

=？通過高能物理實驗取得的數(shù)據(jù)是：運動速度討論物理過程化學過程生命過程從出生到死亡走過的距離1）運動時鐘變慢效應是時間本身的客觀特征,適宜一切類型的鐘實驗室參考系定為S系解：把

子靜止的參考系定為S'

系研究對象：μ子得生、死S’S由洛倫茲變換：相對性原理：基本數(shù)據(jù)3）雙生子效應

twineffect20歲時，哥哥從地球出發(fā)乘飛船運行10年后的情景？哥哥測的是原時，弟弟測的是兩地時20.5歲和30歲飛船速度問題：相對的加速--非慣性系廣義相對論若用到一對夫妻身上（丈夫宇航）會怎樣呢？

趣味之談：仙境一天，地面一年(牛郎織女)“飛碟導航員”(10歲，4小時與7年)生命在于運動20.5歲和30歲初始見面時利用飛機進行運動時鐘變慢效應的實驗三、長度收縮對運動長度的測量問題怎么測？同時測兩端1.原長相對棒靜止的參照系中測得長度。也稱靜長、固有長度，只有一個。棒靜止在S'系中靜長棒以極高的速度相對S系運動S系測得棒的長度值是什么呢？事件1：測棒的左端事件2：測棒的右端同時測的條件相應的時空坐標?事件1：測棒的左端事件2：測棒的右端2.原長最長由洛侖茲變換

1）相對效應

2）縱向效應垂直運動方向長度不變討論若均勻帶電為Q電量是相對論不變量高速運動的立方體3）在低速下伽利略變換

靜長與參考系無關尾過此點地面測的汽車長度3)可從時間測量的相對性導出長度測量的相對性頭過此點汽車參考系為S系S系中汽車長度為原長l0事件1事件2S’S尾過此點頭過此點S系：S’系：注意：

（1）原時

在使用洛侖茲變換時必須存在的條件：

（2）靜長(原長)

一定涉及到兩個同時發(fā)生的事件的空間距離；或說，在使用洛侖茲變換時必須存在的條件是：即兩事件發(fā)生在同一地點。例已知：在S'

參考系中有兩只鐘A'

B'與S系中的B鐘先后相遇。BB'與B相遇時，兩鐘均指零。求：A'

與B相遇時，B鐘指示的時刻，A'

鐘指示的時刻解：事件1B'

與B相遇事件2A'

與B相遇由已知條件：B求：由洛倫茲變換：B的示值解得：A'鐘示值在狹義相對論中討論運動學問題的思路如下：1、確定兩個作相對運動的慣性參照系；2、確定所討論的兩個事件；3、表示兩個事件分別在兩個參照系中的時空坐標或其時空間隔；4、用洛侖茲變換討論。小結(jié)注意原時一定是在某坐標系中同一地點發(fā)生的兩個事件的時間間隔；原長一定是物體相對某參照系靜止時兩端的空間間隔。例：一火箭的固有長度為L，相對地作勻速直線運動，速度為v1,火箭上的人從火箭的后端向火箭前端的靶子發(fā)射子彈，子彈相對火箭的速度為v2則：在火箭上測得子彈的時間？解：以火箭為參照系：子彈的速度v2,

子彈走過的路程L

(相對性原理）例：在某地發(fā)生兩事件，靜止位于該地的甲測得時間間隔為4s,若相對于甲作勻速直線運動的乙測得的時間間隔為5s,則乙相對于甲的運動速度是？解：建立如圖所示坐標系研究對象：兩事件甲乙us洛倫茲變換：例：一艘飛船固有長度為L0=90m,相對地面以v=0.8c的勻速從地面觀測站的上空飛過。1）觀測站測得飛船通過觀測站的時間間隔2）宇航員測得船身通過觀測站的時間解：事件：船頭過站：船尾過站：作業(yè)：

P127：思考題4,5

P129：計算題：1,4,6,7

相對論速度變換：（介紹）洛侖茲坐標變換是基礎定義由洛侖茲坐標變換由洛侖茲坐標變換上面兩式之比定義由洛侖茲變換知由上兩式得同樣得洛侖茲速度變換式逆變換正變換例：設想一飛船以0.80c

的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿速度方向發(fā)射