1、第15章 相對論簡介,15.1 相對論的誕生,本節(jié)主要內(nèi)容,相對論誕生的歷史環(huán)境 經(jīng)典的相對性原理，以及它在電磁學(xué)領(lǐng)域里遭遇的困惑 愛因斯坦在已有知識背景和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過思維的自由創(chuàng)造，大膽提出兩條假設(shè)：狹義相對性原理和光速不變原理,相對論誕生的歷史背景,19世紀(jì)末物理學(xué)取得了巨大的成就： 牛頓力學(xué) 熱力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 電磁場理論 形成了完整的物理學(xué)體系，并被贊譽(yù)為： “一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗廟堂”,普朗克：“老師，我準(zhǔn)備把我的一生都獻(xiàn)給理論物理學(xué)?！?老師：“年輕人，物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的學(xué)科，不會再有多大的發(fā)展了。將一生獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了。” 慕尼黑的物理學(xué)教授菲利

2、普馮約利,在1900年英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上，著名的物理學(xué)家，威廉湯姆孫，回顧了物理學(xué)在過去幾百年中的發(fā)展，充滿自信地宣稱：科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，未來的物理學(xué)家只要做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就可以了。 但同時他也承認(rèn)“明朗的天空中還有兩朵小小的、令人不安的烏云”。,量子理論誕生,相對論誕生,與光速問題有關(guān),與黑體輻射有關(guān),正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，打消了當(dāng)時絕大多數(shù)物理學(xué)家的盲目樂觀情緒，為后來建立近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn)。,一、經(jīng)典的相對性原理,1、慣性系：牛頓運(yùn)動定律成立的參考系 相對于一個慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系 2、伽利略相對性原理：力學(xué)規(guī)

3、律在任何慣性系中都是相同的 還可表述為：在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。,“相對于不同的參考系，經(jīng)典力學(xué)定律的表達(dá)形式是否完全相同？”,牛頓力學(xué)的回答:,力學(xué)規(guī)律在任何慣性參照系 中都是相同的。這就是經(jīng)典力學(xué)的相對性原理（伽利略相對性原理）。,那么，同一物理量在不同慣性系中的值有對應(yīng)關(guān)系。,該原理意義一切慣性系都是等價的，沒有絕對靜止的標(biāo)準(zhǔn)，只能確定兩個參照系的相對運(yùn)動速度。,坐標(biāo)變換:,質(zhì)點(diǎn)P在S 坐標(biāo)系和S/ 坐標(biāo)系中的位置矢量關(guān)系為：,加速度變換:,速度變換:,從伽利略變換可得出三條結(jié)論：,伽利略

4、相對性原理是作為基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)，一方面是因?yàn)榕ｎD力學(xué)在解決力學(xué)問題上獲得的巨大成功；另一方面是因?yàn)樗c人們的經(jīng)驗(yàn)相符。 但是19世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運(yùn)動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理。 其中最典型的就是光速的問題。,二、相對性原理與電磁規(guī)律,19世紀(jì)末電磁理論在麥克斯韋的推動下達(dá)到了頂峰。他的成就在于將當(dāng)時所有已知的電磁學(xué)的知識歸納集中于四個方程之中：,由麥克斯韋方程組可以直接得出：電磁波的速度等于光速c，并不涉及參考系的問題，這與經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則一致嗎？,光速恒定的特性，同運(yùn)動的相對性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？,但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論

5、光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是恒定的,v,光速,光速,二、相對性原理與電磁規(guī)律,在電磁學(xué)領(lǐng)域里，相對性原理遇到了麻煩，這個麻煩與光速有關(guān)。經(jīng)典力學(xué)的速度合成法則、相對性原理、電磁場理論，三者間出現(xiàn)不和諧。 只有兩種可能： （1）麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。,由于受牛頓絕對空間和絕對時間的觀念長期支配的影響，物理學(xué)界中多數(shù)人認(rèn)為在絕對空間中充滿著以太，麥克斯韋方程僅在相對于絕對空間靜止的以太這一特殊慣性系中成立。于是，在地球這個相對于絕對空間運(yùn)動的系統(tǒng)中，麥克斯韋方程僅近似成立。1861年麥克斯韋把光看成是一種以波的形式通過以太傳播的電磁擾動。以太理論達(dá)到頂峰。 通過電磁學(xué)

6、或光學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該能夠測量出地球相對于以太的漂移速度。,為此很多物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，想要測出地球在“以太”中運(yùn)動的速度。1887年的邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)是最著名的一個：它們將一束光分成互相垂直的兩束，一束的傳播方向和地球運(yùn)動方向一致，另一束和地球運(yùn)動方向垂直，然后使它們發(fā)生干涉。如果不同方向上的光速有微小的差別，當(dāng)兩束光互相置換（旋轉(zhuǎn)干涉儀）時干涉條紋就會發(fā)生變化。由于地球在宇宙中運(yùn)動的速度很大，希望它對光速能有較大的影響。 他們期待發(fā)現(xiàn)，這兩束光的傳播速度會有所不同，然而不管他們?nèi)绾闻Γ艿膶?shí)驗(yàn)得到的結(jié)果卻是兩束光的速度沒有預(yù)計(jì)的差別。,邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn),入射光,設(shè)地球相對以太系的速度為

7、v，方向沿干涉儀的一臂G1M2 或者說地球上的觀察者感受到的以太風(fēng)速向左為v。,以太風(fēng),光在以太系中沿各方向的傳播速度都是c 在地球參考系中光沿各方向的傳播速度不同,光在G1M2上來回所需時間,光在G1M1上來回所需時間,相應(yīng)的光程差,實(shí)驗(yàn)中將干涉儀繞豎直軸旋轉(zhuǎn)900，干涉儀的兩條支路地位互換， 滯后的時間差和光程差改變符號，結(jié)果引起干涉條紋移動。,干涉條紋移動數(shù),邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)大致如下：,1881年邁克耳孫 干涉儀的實(shí)驗(yàn)精度N=0.01,1887年邁克耳孫和莫雷合作改進(jìn)了干涉儀， 光路多次反射達(dá)到,沒有觀測到條紋的移動,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：沒有觀測到條紋的移動,尋找以太“大失敗”

8、,1 ） 邁克耳遜他們?nèi)鐚?shí)地報(bào)道了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但他沒有意識到他所做的實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果所具有的重大意義：根本沒有以太這種東西！ 邁克耳遜稱他的實(shí)驗(yàn)是一次沒有給出預(yù)期結(jié)果的大失敗。 2 ） 但是正是這個實(shí)驗(yàn)提醒人們必須重新審查被視為“神圣”的經(jīng)典物理學(xué)的根基：光的波動說理論和麥克斯韋電磁理論都是建立在以太基礎(chǔ)之上的。 3 ） 邁克耳遜為此而獲得1907年的諾貝爾物理學(xué)獎，他也是獲得此獎的第一位美國人。,只有兩種可能： （1）麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。 （2）經(jīng)典力學(xué)要作修改。,法國數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家龐加萊說：“我們必須建立一種新的力學(xué)，對它我們只能夠管中窺豹在這個新力學(xué)中，光速是一

9、個不可逾越的極限?！?兩個基本假設(shè),三、狹義相對論的兩個基本假設(shè),在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的,真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 (與光源觀察者相對運(yùn)動沒關(guān)系),第一條原理是對經(jīng)典力學(xué)相對性原理的推廣。不論在哪一個慣性系中做實(shí)驗(yàn)，都不能確定該慣性系的絕對運(yùn)動。即對運(yùn)動的描述只有相對意義，絕對靜止的參考系是不存在的。,明確幾點(diǎn)：,2）第二條原理實(shí)際上是對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)。它表明：在任何慣性系中測得的真空中的光速都相等。說明光速與觀察者及光源的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。,3) 愛因斯坦理論帶來了觀念上的變革：,牛頓經(jīng)曲力學(xué)理論：,狹義相對論：,時間、長度、質(zhì)量的測量均與參照系無關(guān)。,時

10、間、長度、質(zhì)量測量的相對性，與參照系有關(guān)。,小 結(jié),一、伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 二、相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾 三、狹義相對論的兩個基本假設(shè) 1、狹義相對性原理 在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的 2、光速不變原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。,1根據(jù)伽利略相對性原理，可以得到下列結(jié)論( ) A任何力學(xué)規(guī)律在慣性系中都是相同的 B同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同 C在一個慣性參照系里不能用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否在勻速運(yùn)動 D在一個慣性參照系里可以用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否在勻速運(yùn)動,課堂練習(xí),AC,相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:,自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說：“讓牛頓去吧，” 于是一切都成為光明。 后人續(xù)寫道: 上帝說完多少年之后， 魔鬼說：“讓愛因斯