物理-狭义相对论产生的背景

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相对论和狭义相对论

相对论和狭义相对论相对论和狭义相对论是物理学中的两个重要理论。

它们不仅深刻影响着人们对于时间、空间和物质运动的理解，也对科学研究和技术应用产生了巨大的影响。

本文将从历史背景、基本原理和应用领域等方面探讨相对论和狭义相对论。

首先，让我们回顾一下相对论和狭义相对论的历史背景。

相对论最早由爱因斯坦于20世纪初提出，他的著名论文《论相对运动的电气力学的基础》标志着相对论的诞生。

而狭义相对论则是在这一基础上进一步发展而成。

相对论的提出是为了解决经典力学中的矛盾和问题，尤其是光速恒定的事实与牛顿力学相对论中的绝对时空观之间的冲突。

其次，让我们来了解一下相对论和狭义相对论的基本原理。

相对论的基本原理包括对于光速的恒定性、惯性系的等价性和物质与能量之间的转化关系。

其中，光速的恒定性是相对论的核心理论之一。

它表明无论观察者的运动状态如何，光的传播速度都是不变的，即光速是相对于任何参考系都恒定的。

这一原理的提出彻底颠覆了牛顿力学中的时空观念。

狭义相对论是相对论的基础，它是以相对时间和相对空间为基础的理论。

相对时间指的是不同参考系中时间的流逝速度不同。

简单来说，当一个物体以接近光速的速度运动时，它在自己的参考系中的时间流逝较慢，在其他参考系中看来时间流逝更快。

相对空间指的是运动物体的长度在朝光速靠近的速度下会出现收缩的现象，即在运动方向上的长度会变小。

这种收缩效应称为洛伦兹收缩。

除了基本原理之外，相对论和狭义相对论在实际应用中也发挥着重要的作用。

首先，相对论为宇宙学的研究提供了重要的理论基础。

它揭示了宇宙的时空结构以及星体的运动规律，对于人们对宇宙起源和演化的认识提供了有力支持。

其次，相对论的研究和应用对于卫星导航和定位系统具有重要意义。

相对论修正改变了卫星发射前的轨道计算和卫星导航系统的设计，确保了导航系统的精确性和准确性。

此外，相对论在高能物理学、核能工程和粒子加速器等领域也都发挥着重要的作用。

总结来说，相对论和狭义相对论是重要的物理学理论，它们的提出和发展对于我们对时间、空间和物质运动的理解产生了深刻影响。

§13.1 狭义相对论的历史背景

P. 6
x′ = x − vt y′ = y z′ = z t′ = t
r r r u′ = u − v
r r r r a′ = a, F′ = F
若A、B同时发生，则： ∆t′ = ∆t = 0, 同时发生，
s′
v
∆x′ = ∆x
同时性是绝对的，不依赖于参同时性是绝对的是绝对的，照系；同时发生的两事件的空照系；间间隔也是这样或长度的测量间间隔也是这样或长度的测量
Chapter13. 相对论
§13. 1 狭义相对论的历史背景
P. 13
1912年用量子理论建立了光化学定律。年用量子理论建立了光化学定律。年用量子理论建立了光化学定律
1916年用量子理论提出了自激发射
与受激发射的概念，为光的受激辐与受激发射的概念，射（激光）奠定了理论基础。激光）奠定了理论基础。 1924年提出量子统计法:玻色－爱因年提出量子统计法: 年提出量子统计法玻色－斯坦统计法。斯坦统计法。 1917年起运用广义相对论的时空结构年起运用广义相对论的时空结构开创了各宇宙学研究的新纪元。并与开创了各宇宙学研究的新纪元。 1946年后发展为宇宙大爆炸论。 1946年后发展为宇宙大爆炸论。年后发展为宇宙大爆炸论阿尔伯特．爱因斯坦阿尔伯特． Albert Einstein 18791879-1955
相对论诞生量子理论诞生
Chapter13. 相对论
§13. 1 狭义相对论的历史背景
P. 4
二.经典理论所遇到的挑战
1. 一切力学规律在任何惯性参照系中的形式均相同，一切力学规律在任何惯性参照系中的形式均相同，这称为牛顿力学的相对性原理或力学规律伽利略变换的协变性( 换的协变性(covariance)。协变性 )

从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值

从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值司今（jiewaimuyu@）从内心来讲，我本人对讨论相对论议题并不感兴趣，因为我还没有能够深入了解它；虽然大学里学了一点，那也只能算是“九牛一毛”，因此，我不想把有限精力放在这个“陌生问题”上作过多言论，因为，对不太了解的东西“言多必失”！但因受人之约，非要我谈谈对相对论的看法，碍于颜面，我也只好“应差”一下了。

据说，爱恩斯坦最初发表相对论的时候只有两个半人能看懂，一个是爱因斯坦，另一个是爱丁顿，其余的都是一知半解，加起来算半个；这虽有点戏语，但从侧面也反映出了相对论内容深奥、晦涩难懂的特点。

一百年过去了，相对论虽作为基础物理学而被人们接受，但真正理解相对论的人还是不多。

大学里，教授们在照本宣科地“念”着相对论给学生听，教授们走了，学生成了老师，于是还是照本宣科地“念”下去……可以这么说，相对论自诞生之后，并没有得到像量子力学那样大的发展，相反，它的一些假设、猜想还再延续让人困惑的传奇。

我始终认为，对相对论问题不能孤立地去看待和讨论，必须洞悉相对论产生的深层科学历史背景，必须将相对论的思想内容放到整个物理学体系中来全盘考虑，否则，那可能又是在演绎“盲人摸象”的滑稽剧！目前，流行的所谓挑战相对论问题，大部分也都是在“盲人摸象”！因为各种物理理论已相互交错，“牵一发而动全身”，正如王令隽教授所说：讨论与挑战相对论之难就在于相对论的一些概念和理论已深深融入到量子力学中去了。

1、狭义相对论产生的历史深层背景认识必须从它产生的科学历史背景着手，才能真正了解这个理论所描述的物理思想脉络和应用价值；我想，认识相对论也应如此。

十九世纪初，物理学已从宏观力学与经验电磁学转入微观粒子运动的研究，期间出现的不仅仅是“二朵乌云”，还有惯性系转换问题（从地球惯性系转入原子核惯性系）与光运动问题等。

爱因斯坦正是敏锐地扑捉了这一变革契机；他开始研究布朗运动与光电效应问题，他吸纳了普朗克的量子观点，并将这一观点应用到热力学中，特别是在解决物质态变中组成粒子的能级变化与光电效应问题起到了现代物理学基础的作用。

狭义相对论的基本原理

2）对称条件下，动钟延缓相对的。 →不存在绝对时间 3）在低速领域，相对论效应可忽略。
二、同时的相对性和时间膨胀
剧目：双生子“佯谬”（ twin paradox ）主角：Jim与Tim（双生子）第一幕：分别剧情：在Jim与Tim的20岁生日那天， Tim 将乘速率为v =0.8c的飞船去牵牛星考察，Jim到航天机场送别。
特例：理想闪光实验（思想实验）
c
c
车厢参考系
地面参考系
cc
二、同时的相对性和时间膨胀
演示一：同时的相对性
二、同时的相对性和时间膨胀
结论：在一个惯性系中同时的两个事件，在相对此惯性系运
动的其它惯性系中不再同时。 S S'
发一光信号:
A'
M'
B'
事件 1: 接收到闪光
事件 2: 接收到闪光 O
x
系:
√ 麦克斯韦电磁理论
旧时空观
×
相对论时空观
一、狭义相对论的基本原理
2. 光速不变原理真空中光在一切惯性系中的速度
都是常量c ，与光源（或观测参考系）
运动无关。
一、狭义相对论的基本原理
讨论一切物理规律
力学规律
(1) Einstein 的相对性理论是 Newton 理论的发展； (2) 光速不变与伽利略变换及伽利略的速度相加原理针锋相对;
同时接收到光信号
事件1、事件2 同时发生。
系:
随运动, 迎着光，趋近光信号；
而在逃离光信号。
事件1、事件2 不是同时发生的！同时的相对性是光速不变原理的直接结果。
二、同时的相对性和时间膨胀
注意
沿垂直于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是绝对的！

第3章狭义相对论

球投出前球投出后
c
d
d t1 c
v cv
d t 2 cv
t1 t 2

结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
解释天文现象的困难
夜空的金牛座上的“蟹状星云”，是900多年前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。
B
A c V c
l
l tB c
vx
v x u u 1 2 v x c
v y u2 vy 1 2 u c 1 2 v x c
2 v u z vz 1 2 u c 1 2 v x c
vz u2 v 1 2 z u c 1 2 vx c

一维洛仑兹速度变换式
vu v vu 1 2 c
2
x k( x ut)
x x ut 1 (u c )
u t 2 x c 2 1 (u c )
2
t
u t 2 x c 1 (u c )2
t

时空变换关系
S S
x
x ut u 1 2 c
2
正变换
y y z z u t 2 x c t u2 1 2 c
vy u2 v y 1 2 u c 1 2 vx c
dy
u 1 2 vx dt c dt u2 1 2 c
2 vz u v 1 2 z u c 1 2 vx c

洛仑兹速度变换式
正变换逆变换
vx u v x u 1 2 vx c
vy u2 v y 1 2 u c 1 2 vx c

S S
逆变换
u 1 2 c y y z z

狭义相对论的诞生和意义

狭义相对论的诞生和意义姓名：王祚恩学号：1120100190 班级：01311002 【摘要】在科学史上，爱因斯坦创立相对论的过程艰辛而充满质疑，然而当我们真正认识和了解到相对论时，我们知道爱因斯坦为什么能够称之为伟大。

几十年来的历史发展证明，狭义相对论大大推动了科学进程，成为现代物理学的基本理论之一。

【关键词】爱因斯坦，狭义相对论，意义一．时代的召唤。

在世界科学史上，爱因斯坦所处的时代是一个呼唤巨人，也创造出了大批巨匠的时代。

在伯尔尼专利局工作的岁月，是爱因斯坦在科学研究方面大丰收的几年。

在这期间，他解决了布朗运动的问题，创立了光子论和狭义相对论。

他的划时代的发现，表明对立统一规律不仅适用于人类社会，而且适用于自然界，是最普遍的规律，彻底改变了人们关于时间、空间、质量、能量等旧有的观念，为辩证唯物主义时空观的基本原理的正确性提供了最有利的科学依据，开始引起了科学界和思想界的普遍重视。

二．狭义相对论建立的历史背景。

一门新理论的诞生有其外在条件，也有其内在因素。

就外在条件而言：18世纪欧洲工业革命兴起，经过一个多世纪，到19世纪末，工业生产、科学技术有了长足的进步。

电力应用逐渐推广，内燃机、蒸汽机被采用，交通运输不断扩展……，所有这些对物理学的发展都有着直接的影响。

生产的发展需要科学；反过来，生产的发展又进一步推动了科学的进步。

相对论理论同其他任何一门科学理论一样，是生产水平和科学技术发展到一定阶段的必然产物。

牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。

经典物理学经过近300年的发展，到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。

而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。

在这样的背景下，才有了狭义相对论。

解开以太之谜，是爱因斯坦在相对论建立的道路上走出的第一步。

大学物理曲晓波-第6章狭义相对论

x
x u t 1 u2 /c2
洛仑
y
y
兹 z z
逆变换
t
t
ux c2
1 u2 /c2
洛伦兹逆变换只是把洛伦兹变换中的u→ - u，x与x’，
y与y’，z与z’交换位置。
说明：
①洛伦兹变换表示同一事件在不同惯性系中时空坐标的变换关系。规定每个惯性系使用对该系统为静止的时钟和尺进行量度。
在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。这就是爱因斯坦相对性原理，即相对性原理。
此原理说明所有惯性系对于描述物理规律都是等价的，不存在特殊的惯性系。可以看出，爱因斯坦相对性原理是力学相对性原理的推广。
由此可得出，在任何惯性系中进行物理实验，其结果都是一样的，运动的描述只有相对意义，而绝对静止的参考系是不存在的。因此不论设计力学实验，还是电磁学实验，去寻找某惯性系的绝对速度是没有意义的。
S 系v 中 x d d x t,v y d d y t,v z d d z t
v
x
vx 1
u
uvx c2
速度变换
v
y
vy
1 u2 /c2
1
uvx c2
v
z
vz
1 u2 /c2
1
uvx c2
vx
v
x
1
u
u v x c2
速度逆变换
v
y
v
y
1 u2 /c2Biblioteka 1u v x c2
vz
v
z
1 u2 /c2
1
u v x c2
讨论：
①当u,v（vx,vy,vz)远小于光速ｃ时，相对论速度变换式退化

狭义相对论的基本原理洛伦兹变换

x
关键概念：关键概念：相对性和不变性 .
0.80c
0.90c
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
洛伦兹变换特点洛伦兹变换特点 1））
x ' , t ' 与 x, t
v << c
成线性关系，成线性关系，但比例系数 γ
≠ 1.
2）时间不独立， t 和）时间不独立， 3））
x 变换相互交叉变换相互交叉.
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
思路：用速度分量定义＋思路：用速度分量定义＋洛仑兹坐标变换公式定义系中：在S系中：系中系中：在S’系中：系中
dx vx = dt dy vy = dt dz vz = dt
dx′ v′ = x dt′ dy′ v′ = y dt′ dz′ v′ = z dt′
洛伦兹变换
经典力学的相对性原理与麦氏电磁理论的矛盾
解决矛盾的可能方案：解决矛盾的可能方案：（1）电磁学理论需要修正）（2）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。（3）力学满足相对性原理只是偶然，相对性原理不）力学满足相对性原理只是偶然，是普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系中成立。特殊的惯性系中成立是普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系中成立。
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
3. 洛伦兹变换式
t 设： = t '= 0 时，o , o ' 重合 ; 事件 P 的时空坐标如图所示 .
x' = x − ut 1− β
2
= γ ( x − ut )
s s'
z
y
y'

狭义相对论的诞生

在想要创建新理论的科学家中，法国数学家、物理学家庞加莱走到了前面。1895年，他首次提出了相对性原理的思想。他认为，“要证明物质的绝对运动，或者更明确地说，要证明物质相对于以太的运动是不可能的”。1899 年，他又进一步提出，“对于所有观察者来说，光速都是常数”，并强调了这一假设的必要性。庞加莱还论证了“两个事件历时相等”和“在两地同时发生的两个事件”的说法是没有意义的。与洛伦兹一样，庞加莱已经十分接近狭义相对论了。
这些实验和理论之间的矛盾深深困惑了科学家们，为了解释这些实验就要求对理论进行修改。由于速度合成法则代表的是牛顿伽利略时代的一些经典的物理思想，因此很多科学家致力于修改麦克斯韦的电磁理论。
但是爱因斯坦在深入的钻研了电磁理论后，坚信了它的正确性。同时，他关注了这些理论中被人忽视的一个方面：相对性原理。
光速引起的困难
早在16岁时，爱因斯坦从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他就产生了一个想法：如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？
按照我们学过的知识。首先会问，光的速度是指相对于哪个观测者的速度呢？按照牛顿的想法，存在一个绝对的空间，光速就可以看作是这个空间中的观测者测得的速度。
这些实验结果和传统的观念有相当大的矛盾，特别是速度合成法则。爱因斯坦把伽利略的相对性原理做了推广，认为电磁规律在不同的参考系中也应该是一样的。而且毅然放弃了以太这个概念和速度合成法则，提出了光速不变原理，并据此建立了狭义有“山雨欲来风满楼之势”。许许多多实验和理论的研究，已经使狭义相对论呼之欲出了。
为了准备另一次考试，他在瑞士的一所中学呆了一年。瑞士自由的空气和阳光使他生机勃勃。他后来回忆，正是在这里，他开始有了导致后来相对论的原始想法。

狭义相对论的发展史

狭义相对论的发展史狭义相对论是一门探讨时空结构和物质运动规律的理论，由德国物理学家爱因斯坦于1905年提出并发展起来。

狭义相对论的发展历程可以追溯到19世纪末的电磁学理论。

19世纪末，电磁学理论的发展取得了巨大的成就，麦克斯韦方程组的建立使人们对电磁场的本质有了更深入的认识。

然而，当科学家们试图将电磁学理论与牛顿力学统一时，却遇到了困难。

根据经典力学，光在空气中的速度应该是一个固定值，而根据电磁学理论，光在空气中的速度应该受到空气中电荷的影响。

这一矛盾引发了科学家们对时空结构和物质运动规律的重新思考。

在此背景下，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论。

狭义相对论主要包括两个基本假设：光速不变原理和等效原理。

光速不变原理指出，光在真空中的速度是一个恒定不变的值，与光源的运动状态无关。

等效原理则认为，惯性系中的物理规律在所有惯性系中都成立。

这两个基本假设打破了牛顿力学的观念，改变了人们对时空结构的认识。

根据狭义相对论的基本原理，爱因斯坦推导出了著名的洛伦兹变换，描述了时空坐标系的变换规则。

洛伦兹变换使得时间和空间的测量在不同惯性系中都具有相对性，即观察者的运动状态会影响到时间和空间的测量结果。

这种观念的提出颠覆了牛顿力学中绝对时间和空间的观念，引发了科学界的轰动。

狭义相对论的提出并没有立即得到广泛的认可和应用，科学界对这一新理论持有怀疑态度。

然而，随着实验证据的不断积累，狭义相对论逐渐被证实。

著名的迈克尔逊-莫雷实验以及后来的时间膨胀实验等都提供了对狭义相对论的有力支持。

狭义相对论的发展也催生了许多重要的物理学概念和理论。

爱因斯坦提出了质能关系E=mc²，揭示了质量和能量之间的等价关系。

此外，爱因斯坦还发展了相对论力学，解决了牛顿力学无法解释的一些现象，如光电效应和电子的相对论运动等。

狭义相对论的发展对物理学产生了深远的影响。

它不仅推动了时空结构和物质运动规律的研究，也对现代科技的发展做出了巨大贡献。

大学物理讲稿(第14章狭义相对论基础)

第14章狭义相对论基础自从十七世纪,牛顿的经典理论形成以后,直到二十世纪前,它在物理学界一直处于统治地位.历史步入二十世纪时,物理学开始深入扩展到微观高速领域,这时发现牛顿力学在这些领域不再适用.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明的基本概念作出根本性的改革.从而出现了相对论和量子理论.本章介绍相对论的基本知识,在下章里将介绍量子理论的基本知识.§14.1 狭义相对论产生的历史背景一、力学相对性原理和经典时空观力学是研究物体运动的.物体的运动就是它的位置随时间的变化.为了定量研究这种变化,必须选择适当的参考系,而力学概念以及力学规律都是对一定的参考系才有意义的.在处理实际问题时,视问题的方便,我们可以选择不同的参考系.相对于任一参考系分析研究物体的运动时,都要应用基本的力学规律,这就要问对于不同的参考系,基本力学定律的形式是完全一样的吗？同时运动既然是物体位置随时间的变化,那么无论是运动的描述或是运动定律的说明,都离不开长度和时间的测量.因此与上述问题紧密联系而又更根本的问题是：相对于不同的参考系,长度和时间的测量结果是一样的吗？物理学对于这些根本性问题的解答,经历了从牛顿力学到相对论的发展.在牛顿的经典理论中,对第一个问题的回答,早在1632年伽利略曾在封闭的船舱里仔细的观察了力学现象,发现在船舱中觉察不到物体的运动规律和地面上有任何不同.他写到：“在这里（只要船的运动是等速的）,你在一切现象中观察不出丝毫的改变,你也不能根据任何现象来判断船是在运动还是停止,当你在地板上跳跃的时候,你所通过的距离和你在一条静止的船上跳跃时通过的距离完全相同,”.据此现象伽利略得到如下结论：在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律是完全相同的,应具有完全相同的数学表达式.也就是说,对于描述力学现象的规律而言,所有惯性系都是等价的,这称为力学相对性原理.对第二个问题的回答,牛顿理论认为,时间和空间都是绝对的,可以脱离物质运动而存在,并且时间和空间也没有任何联系.这就是经典的时空观,也称为绝对时空观.这种观点表现在对时间间隔和空间间隔的测量上,则认为对所有的参考系中的观察者,对于任意两个事件的时间间隔和空间距离的测量结果都应该相同.显然这种观点符合人们日常经验.依据绝对时空观,伽利略得到反映经典力学规律的伽利略变换.并在此基础上,得出不同惯性参考系中物体的加速度是相同的.在经典力学中,物体的质量m又被认为是不变的,据此,牛顿运动定律在这两个惯性系中的形式也就成为相同的了,这表明牛顿第二定律具有伽利略变换下的不变性.可以证明,经典力学的其他规律在伽利略变换下也是不变的.所以说,伽利略变换是力学相对性原理的数学表述,它是经典时空观念的集中体现.二、狭义相对论产生的历史背景和条件19世纪后期,随着电磁学的发展,电磁技术得到了越来越广泛的应用,同时对电磁规律的更加深入的探索成了物理学研究的中心,终于导致了麦克斯韦电磁理论的建立.麦克斯韦方程组是这一理论的概括和总结,它完整的反映了电磁运动的普遍规律,而且预言了电磁波的存在,揭示了光的电磁本质.这是继牛顿之后经典理论的又一伟大成就.光是电磁波,由麦克斯韦方程组可知,光在真空中传播的速率为m/s 1098821800⨯=εμ=.c 它是一个恒量,这说明光在真空中传播的速率与光传播的方向无关.按照伽利略变换关系,不同惯性参考系中的观察者测定同一光束的传播速度时,所得结果应各不相同.由此必将得到一个结论：只有在一个特殊的惯性系中,麦克斯韦方程组才严格成立,即在不同的惯性系中,宏观电磁现象所遵循的规律是不同的.这样以来,对于不可能通过力学实验找到的特殊参考系,现在似乎可以通过电磁学、光学实验找到,例如若能测出地球上各方向光速的差异,就可以确定地球相对于上述特殊惯性系的运动.为了说明不同惯性系中各方向上光速的差异,人们不仅重新研究了早期的一些实验和天文观察,还设计了许多新的实验.迈克耳孙——莫雷实验就是最早设计用来测量地球上各方向光速差异的著名实验.然而在各种不同条件下多次反复进行测量都表明：在所有惯性系中,真空中光沿各个方向上传播的速率都相同,即都等于c.这是个与伽利略变换乃至整个经典力学不相容的实验结果,它曾使当时的物理学界大为震动.为了在绝对时空观的基础上统一的说明这个实验和其他实验结果,一些物理学家,如洛伦兹等,曾提出各种各样的假设,但都未能成功.1905年,26岁的爱因斯坦另辟蹊径.他不固守绝对时空观和经典力学的观念,而是在对实验结果和前人工作进行仔细分析研究的基础上,从全新的角度来考虑所有问题.首先,他认为自然界是对称的,包括电磁现象在内的一切物理现象和力学现象一样,都应满足相对性原理,即在所有的惯性系中物理定律及其数学表达式都是相同的,因而用任何方法都不能确定特殊的参考系；此外,他还指出,许多实验都已表明,在所有的惯性系中测量,真空中的光速都是相同的.于是爱因斯坦提出了两个基本假设,并在此基础上建立了新的理论——狭义相对论.§14.2 狭义相对论的基本原理一、狭义相对论的两个基本假设爱因斯坦在对实验结果和前人工作进行仔细分析研究的基础上,提出了狭义相对论的如下两个基本假设1）相对性原理：基本物理定律在所有惯性系中都保持相同形式的数学表达式,即一切惯性系都是等价的.它是力学相对性原理的推广和发展.2）光速不变原理：在一切惯性系中,光在真空中沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量c,且与光源的运动状态无关.狭义相对论的这两个基本假设虽然非常简单,但却与人们已经习以为常的经典时空观及经典力学体系不相容.确认两个基本假设,就必须彻底摒弃绝对时空观念,修改伽利略坐标变换关系和牛顿力学定律等,使之符合狭义相对论两个基本原理的要求.另一方面应注意到,伽利略变换关系和牛顿力学定律是在长期的实践中证明是正确的,因此它们应该是新的坐标变换式和新的力学定律在一定条件下的近似.即狭义相对论应包含牛顿力学理论在内,牛顿的经典力学理论是狭义相对论在一定条件（低速运动情况）下的近似.尽管狭义相对论的某些结论可能会使初学者感到难于理解,但是一百多年来大量实验事实表明,依据上述两个基本假设建立起来的狭义相对论,确实比经典理论更真实、更全面、更深刻地反映了客观世界的规律性.二、洛伦兹变换为简单起见,如图14.1所示,设惯性系S'（O' x'y' z' ）以速度υ相对于惯性系S （O xy z ）沿x （x'）轴正向作匀速直线运动,x'轴与 x 轴重合,y' 和 z' 轴分别与 y 和 z 轴平行,S 系原点O 与S '系原点O '重合时两惯性坐标系在原点处的时钟都指示零点.设P 为观察的某一事件,在S 系观察者看来,它是在t 时刻发生在（x,y, z ）处的,而在S'系观察者看来,它却在t '时刻发生在（x',y', z'）处.下面我们就来推导这同一事件在这两惯性系之间的时空坐标变换关系.在y (y')方向和z(z')方向上,S 系和S '系没有相对运动,则有：y' =y ，z'=z,下面仅考察(x 、t)和(x'、t')之间的变换.由于时间和空间的均匀性,变换应是线性的,在考虑 t=t'=0 时两个坐标系的原点重合,则x 和(x' +υt' )只能相)'(x x )',','(),,(z y x z y x P y 'y z 'z 'o o 图14.1 洛伦兹坐标变换差一个常数因子,即)''(t x x υ+γ= (14.1)由相对性原理知,所有惯性系都是等价的,对S'系来说,S 系是以速度υ沿x' 的负方向运动,因此,x' 和(x -υt)也只能相差一个常数因子,且应该是相同的常数,即有)('t x x υ-γ= (14.2)为确定常数γ,考虑在两惯性系原点重合时(t=t'=0),在共同的原点处有一点光源发出一光脉冲,在S 系和S'系都观察到光脉冲以速率c 向各个方向传播.所以有'',ct x ct x == (14.3)将式(14.3)代入式(14.1)和式(14.2)并消去 t 和 t' 后得2211c /υ-=γ (14.5)将上式中的γ代入式(14.2)得221c tx x /'υ-υ-= (14.6)另由式(14.1)和(14.2)求出t' 并代入γ的值得2222111cc x t t //)('υ-υ-=γυγ-+γ= 于是得到如下的坐标变换关系⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧υ-υ-===υ-υ-=2222211c cx t t zz y y c t x x //'''/' 逆变换−−−−−→−υ-→υ↔↔,','t t x x ϖ ⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧υ-υ+===υ-υ+=2222211c c x t t z z y y c t x x //''''/'' (14.7) 这种新的坐标变换关系称为洛伦兹(H.A.Lorentz,1853—1928)变换.显然,讨论：1）从洛伦兹变换中可以看出,不仅x' 是 x 、t 的函数,而且 t' 也是x 、t 的函数,并且还都与两个惯性系之间的相对运动速度有关,这样洛伦兹变换就集中的反映了相对论关于时间、空间和物体运动三者紧密联系的新观念.这是与牛顿理论的时间、空间与物体运动无关的绝对时空观截然不同的.2）在c <<υ的情况下,洛伦兹变换就过渡到伽利略变换.3）洛伦兹变换中,x'和t'都必须是实数,所以速率υ必须满足c ≤υ.于是我们就得到了一个十分重要的结论：一切物体的运动速度都不能超过真空中的光速c ,或者说真空中的光速c 是物体运动的极限速度.4)时钟和尺子。

§11-1狭义相对论的历史背景

第11章
相对论简介

简介
相对论分为狭义相对论和广义相对论.
狭义相对论揭示了时间、空间和运动的关系, 研究：惯性系中的物理规律；惯性系间物理规律的变换。广义相对论揭示了时间、空间和物质分布的关系,研究：非惯性系中的物理规律及其变换。
§11-1 狭义相对论的历史背景
19世纪末电磁学有了很大发展，1865年，麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，指出真空中沿各个方向的速率均为c。1888 年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。但是，在伽利略速度变换中，光速在一个参考系中若是c，在另一参考系中必不是c。电磁理论和伽利略变换相矛盾。
结论
（1）迈克耳逊-莫雷实验结果：“以太”不存在（2）说明电磁现象服从相对性原理（3）在一个惯性系内采用光学实验无法确定该惯性系相对于其他惯性系的运动（4）电磁场方程组不服从伽利略变换。
问题：矛盾
电磁场方程组不服从伽利略变换
电磁现象服从相对性原理
电磁场方程组在哪个参考系成立呢?
历史背景
为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙中充满了叫“以太”的物质，电磁波靠“以太” 传播。把以太选作绝对静止的参考系；电磁场方程组只在“以太”参考系成立。电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系 (如地球)速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太”的速度有关。迈克尔孙 — 莫雷实验目的是为了证实以太的存在。实验结果：“以太”不存在

狭义相对论

1951 E=mc2 得奖人：Sir J.D. Cockcroft & E.T.S. Walton
1964 受激辐射得奖人：C.H. Townes, N.G. Basov, A.M. Prochorov
说明：maser－laser based on 受激辐射
1993 引力波得奖人：R.A. Hulse, J.H. Taylor,
提名Einstein得诺贝尔奖的领域 • 相对论；量子论；引力论；布朗运动；光量子；统计力学；临界乳光；比热；数学;物理；光电效应；爱因斯坦－德哈斯效应等。 • 提名最多的领域是相对论，包括狭义和广义相对论。但是，获奖的却是光电效应。
因检验爱因斯坦理论或与爱因斯坦理论密切相关的研究工作而获得诺贝尔奖的项目
爱因斯坦的工作可能还会导致哪些诺贝尔奖？
量子信息学与量子纠缠类星体与引力透镜效应微波背景辐射各向异性的发现黑洞物理及其观测引力波的探测宇宙学与宇宙常数Λ
宇宙常数Λ与暗能量，可能是爱因斯坦留给21世纪的最重要问题
在物理学的发展史上曾经面临两大问题：一、在不同的参照系中，同一物理定律的形式是否一样？二、在不同的参照系中，时间和长度的测量是否是绝对的？
物理学家感到自豪而满足，两个事例：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。 —开尔芬(1899年除夕) 理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。 ——约利致普朗克的信
重点:
相对论基本原理；洛仑兹变换；时空观、物质观的深化。
二、伽利略变换
1.坐标变换关系
经典时空观中时间、空间不相干.

物理学中的狭义相对论

物理学中的狭义相对论狭义相对论是物理学中的一种理论，由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出。

这一理论在物理学领域中产生了深远的影响，对于我们对宇宙和时间的理解起着重要的作用。

本文将介绍狭义相对论的基本原理、重要概念以及实验验证。

狭义相对论的基本原理是以光速不变原理为基础的。

该原理认为，在任何参考系中，光速始终保持不变，无论观察者自身是否运动。

这一原理颠覆了牛顿力学中的时间和空间的观念，推翻了牛顿力学的绝对时间和绝对空间的概念。

狭义相对论引入了一种新的观念，即事件的顺序是相对的，并且与观察者的运动状态有关。

例如，当两个事件发生在相同的地点，然而观测者的速度不同时，他们对这两个事件的时间顺序可能是不同的。

这被称为时间相对性。

除了时间相对性，空间相对性也是狭义相对论的重要概念。

根据相对论，当观察者以接近光速的速度运动时，他们对空间的测量也会受到影响。

观察者的长度测量将发生变化，这被称为长度收缩效应。

而观察者的时间也会发生变化，这被称为时间膨胀效应。

这些效应违背了我们在低速下的直觉，但在实验中得到了证实。

狭义相对论还引进了著名的质能关系公式E=mc²。

这个公式表明了质量与能量之间的等价关系。

根据狭义相对论，质量不再是一个固定的量，而是随着物体的速度变化而变化。

当物体的速度接近光速时，其质量将无限增加，从而需要无限的能量才能达到光速。

这也解释了为什么在我们的常规经验中，我们无法达到或超越光速的原因。

狭义相对论的概念和预测已经在实验中得到了广泛的验证。

例如，著名的双子星实验展示了时间膨胀效应。

实验中，一个人在地球上停留，另一个人乘坐一艘接近光速的飞船飞行一段时间后返回地球。

两个人之间的时间差异得到了证实，证明了时间相对性的存在。

此外，GPS（全球定位系统）的运作也是使用到了狭义相对论的原理。

由于卫星在地球周围以高速运动，需要考虑到时间膨胀和长度收缩的效应，以确保精确的定位。

总而言之，狭义相对论是物理学中一套关于时间和空间的理论。

狭义相对论的研究及其影响

狭义相对论的研究及其影响狭义相对论是20世纪初由爱因斯坦提出的一种理论，它对现代物理学的发展和科学技术的进步产生了重要影响。

本文将从三个方面探讨狭义相对论的历史、原理和应用。

一、历史狭义相对论最初由爱因斯坦在1905年提出，它与牛顿力学和经典电磁学形成了鲜明对比。

牛顿力学和经典电磁学假定时间和空间是绝对不变的，而狭义相对论则认为时间和空间是相对的，取决于观察者的运动状态。

狭义相对论的形成离不开许多前人的贡献。

19世纪末，麦克斯韦的电磁理论和赫兹的实验都表明，电磁波在真空中传播速度不变，这启示爱因斯坦思考运动系统的相对性。

同时，洛伦兹变换和洛伦兹收缩也为狭义相对论的发展提供了理论基础。

二、原理狭义相对论的核心原理是光速不变原理和相对性原理。

光速不变原理指光速在任何参考系下都是恒定不变的，而相对性原理指物理定律在所有惯性参照系中都应该具备相同的表达式。

在狭义相对论中，时间和空间是相对的，取决于观测者的运动状态。

这就导致了一些反直觉的结论。

例如，当两个运动状态不同的观测者测量同一枚钟表的时间时，会得到不同的结果。

此外，杆缩效应和时间膨胀效应也是狭义相对论的重要预测。

狭义相对论与牛顿力学形成了鲜明对比，它为我们提供了一种更加深入的理解物理世界的方式。

虽然狭义相对论的原理对于大多数人来说有些抽象和难以理解，但它的实用价值却无可置疑。

三、应用狭义相对论广泛应用于现代物理学和工程技术。

狭义相对论的正确性已经经过了无数次实验和验证。

经典物理学无法解释的一些现象在狭义相对论中得到了合理的解释。

在宏观物理学中，狭义相对论可以解释远程遥控和导航的原理，同时也可以用来研究宇宙的起源和演化。

在微观物理学中，狭义相对论可以解释电荷运动和粒子物理现象，例如康普顿散射、正反粒子产生和核裂变等。

除此之外，射线治疗、核磁共振成像、精密计时和卫星导航等现代技术都需要考虑到狭义相对论的影响。

总结狭义相对论的研究，不仅改变了人们对于时间和空间的理解，也为现代物理学、工程技术和科技进步提供了强有力的理论支持。

12.1狭义相对论的历史背景

u
v cu
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u
v cu
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第十二章相对论简介
试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)
球投出前球投出后
c
d
d t1 c
v cv
d t2 cv
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t1 t 2
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结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
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c c v
(可测) (已知) (推知)
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第十二章相对论简介
M1 S
*
G T 干涉条纹
M2
地球相对以太的速度（公转速度）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
v
装置示意如上图：光线经过分光板（正面涂有半透金属膜）后分为两垂直等距路线，然后会合。装置设于地面，可绕垂直于图面的轴线转动。如果地球相对以太 v 的速度为 v （设方向如图所示，为地球公转的速度），由伽利略变换，两束光的速率则不同，到达观测点的时间也不同，这将会发生干涉现象（类似于劈尖的等厚干涉条纹）；再使整个仪器旋转 90 ，两光束所经路线正好互换，应可观测到干涉条纹的移动。
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第十二章相对论简介
§12.1.2 菲索与迈克耳孙——莫雷实验
1.菲索实验（流水对光速影响实验） O M M
S
B M B I v
由经典理论,由B处分成的两束光回至B处时间差为
1 1 Δt 2l (c / n) kv (c / n) kv
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经典物理与狭义相对论的诞生

经典物理与狭义相对论的诞⽣经典物理与狭义相对论的诞⽣⼀、世纪末的“两朵乌云”1900年，英国皇家学会，开尔⽂：“物理学的⼤厦已经建成，未来的物理学家们只需要做些修修补补的⼯作就⾏了。

”然⽽物理学的⼤厦还飘着两朵乌云。

1、⿊体辐射促进了量⼦⼒学的诞⽣。

这朵乌云和相对论的诞⽣⽆关就不详述了。

2、迈克尔逊实验：当时⼈们把辐射体视为由⼤量谐振⼦(例如分⼦、原⼦)构成。

吸收辐射，谐振⼦振动就加强；释放辐射，谐振⼦振动就减弱。

物理学家以谐振⼦为基础来构造辐射模型。

奇怪的是，⽆论怎么努⼒，构造什么样的辐射模型，理论算出的⿊体辐射曲线都不能与实验⼀致。

着促进了相对论（包括狭义相对论和⼴义相对论）的诞⽣。

⼆、光⾏差现象1801年，托马斯·杨的双缝⼲涉实验表明光是⼀种波动。

光既然是波，应该有⼀种载体。

于是⼈们想起了亚⾥⼠多德的以太理论。

亚⾥⼠多德认为，以太只存在于“⽉上世界”，l9世纪的学者们则进⼀步认为；以太充斥全宇宙。

他们认为光就是以太的弹性振动，光能从遥远的星体传播到地球，表明以太不仅透明⽽且弹性极好。

⼀个重要的问题被提出来：以太相对于地球是否运动?科学界认为⽐较合理的设想是：以太相对于⽜顿所说的“绝对空间”静⽌，因⽽在绝对空间中运动的地球，应该在以太中穿⾏。

天⽂学上的“光⾏差”现象似乎⽀持这⼀观点”。

“光⾏差”现象是观测同⼀星体的望远镜的倾⾓，要随季节做规律性变化。

此现象很容易理解。

⽐如，不刮风的下⾬天，⼈应该竖直打伞，如果刮风，⼈应该迎着风向斜着打伞。

星光脱离光源(星体)后，在以太中运动的光波就像空⽓中的⾬滴⼀样。

如果地球相对于以太整体静⽌，望远镜只需⼀直对着指向星体的⽅向看就可以了。

然⽽地球在绕⽇公转，也⼀定在以太中穿⾏，这时以太风相对于地球的运动(即所谓以太漂移)，就像普通风相对⾬伞或⽔桶的运动⼀样，望远镜必须随着地球运动⽅向的改变⽽改变倾⾓，才能保证观测星体的光总是落⼊望远镜筒内。

三、迈克⽿孙实验迈克尔孙－莫雷实验应⽤迈克尔孙⼲涉仪，通过测量光速沿不同⽅向差异来寻找以太参照系的主要实验。