6.2 狭义相对论的基本原理

二、狭义相对论的两条基本原理
相对性原理——一切彼此相对作匀速直线运动 1）相对性原理 一切彼此相对作匀速直线运动 的惯性系，对于描写运动的一切规律都是等价的。 的惯性系，对于描写运动的一切规律都是等价的。
或：在一切惯性系中，物理定律都具有相同的形式。 在一切惯性系中，物理定律都具有相同的形式。 注意：这一原理实际上是伽利略力学相对性原理的推广， 注意：这一原理实际上是伽利略力学相对性原理的推广， 它不仅包含力学现象，而且包括一切其他的物理现象。 它不仅包含力学现象，而且包括一切其他的物理现象。 ——一切惯性系都是平权的。 一切惯性系都是平权的。 一切惯性系都是平权的
如声波在空气中传播
c 很大，故“以太”应比钢 很大， 以太” 还硬且星体在其中运动时要 畅行无阻。 畅行无阻。 2）c 是相对“以太” ） 是相对“以太” 参照系的速度。 参照系的速度。 “以太”是宇宙间的绝对 以太” 以太 静止参照 系。
2）波速是相对于和静止媒 ） 质保持相对静止的参照系的 波速。 波速。
9 第6章 相对论
狭义相对论推倒了牛顿力学的质量守恒、能量守恒、 狭义相对论推倒了牛顿力学的质量守恒、能量守恒、 质量能量互不相关 时空永恒不变的基本命题 互不相关、 的基本命题。 质量能量互不相关、时空永恒不变的基本命题。这是一 场真正的科学革命。 场真正的科学革命。 爱因斯坦又经过10年探索，建立了广义相对论。 爱因斯坦又经过10年探索，建立了广义相对论。它奠定 10年探索 20世纪物理学的基石 爱因斯坦仍不满足。 世纪物理学的基石。 了20世纪物理学的基石。爱因斯坦仍不满足。他开始探索 宇宙起源问题，并揭示出宇宙是“静态” 有限无界的。 宇宙起源问题，并揭示出宇宙是“静态”的、有限无界的。 他根据广义相对论，提出了三大命题： 他根据广义相对论，提出了三大命题：光线在太阳引力场 中会发生弯曲；水星近日点运动规律； 中会发生弯曲；水星近日点运动规律；引力场中光谱线向 红端移动。直到1919 1919年 月之后，这些预言均得到验证。 红端移动。直到1919年5月之后，这些预言均得到验证。
v
如果不满足光速不变原理，因果关系将颠倒过， 如果不满足光速不变原理，因果关系将颠倒过，可是 从来没有看到过这种现象。 从来没有看到过这种现象。
15 第6章 相对论
注意： 注意：
1）光速不变原理适用的条件
A）惯性系；B）真空中 ）惯性系； ） （介质中的光速 c =c/n） ） 2）不要认为狭义相对论是迈克尔逊-莫雷实验的直接 不要认为狭义相对论是迈克尔逊结果， 结果，它是近半个世纪大量实验和多位科学家研究的 总结；当然迈克尔逊总结；当然迈克尔逊-莫雷实验对确认狭义相对论有 重要影响。 重要影响。
天才物理学家—— 天才物理学家 爱因斯坦发表了5 爱因斯坦发表了5篇 论文， 论文，从根本上改 变了物理学的面貌， 变了物理学的面貌， 为相对论、 为相对论、量子理 论的发展作出了重 要贡献。 要贡献。联合国大 会通过决议确立 2005年为 年为“ 2005年为“世界物 理年” 理年”。
世界物理年
12 第6章 相对论
3
第6章 相对论
物理学是一门实验的科学。迈克尔逊、 物理学是一门实验的科学。迈克尔逊、莫雷 想用实验找到以太这个绝对静止的参照系。 想用实验找到以太这个绝对静止的参照系。
4 第6章 相对论
Байду номын сангаас
按照以上分析，Maxwell方程只对绝对静止的“以 按照以上分析， 方程只对绝对静止的“ 方程只对绝对静止的 参照系成立，并且依照“ 太”参照系成立，并且依照“GT”，在不同的参照系中 ， 应测出不同的光速。 应测出不同的光速。这意味着宇宙间存在一特殊的参照 以太参照系， 系——以太参照系，在这个参照系中光速是 ，其它惯性 以太参照系 在这个参照系中光速是c， 系中将测出不同的光速。 系中将测出不同的光速。 但是，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度， 但是，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度， 就是光的速度是一个恒量。 就是光的速度是一个恒量。按照牛顿力学的速度加法原 不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题： 理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适 用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？ 用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？
N = 0
莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。 迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。
7 第6章 相对论
这意味着经典物理学出了问题， 这意味着经典物理学出了问题，就像一朵乌 云一样遮住了物理学晴朗的天空。 云一样遮住了物理学晴朗的天空。
像洛伦兹这位曾经研究电子理论且为相对理论奠 定了基础的老物理学家，面对着这种矛盾，也曾绝望 定了基础的老物理学家，面对着这种矛盾， 地说： 在今天， 地说：“在今天，人们提出与昨天所说的话完全相反 的主张，在这样的时期已经没有什么真理标准可见， 的主张，在这样的时期已经没有什么真理标准可见， 也不知道什么是科学了。 也不知道什么是科学了。
一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我 一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦： 们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。 们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。 他现在是、 他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星 之一” 按照我的看法，他也许比牛顿更伟大， 之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大， 因为他对于科学的贡献， 因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思 想基本要领的结构中。 想基本要领的结构中。”
光线： 对 (1) 光线：O → M1 → O
M2 l2 (2)
S
O
l1
(1)
r v
以太风
M1
l1 l1 2l1 1 = ( ) t1 = + 2 2 c +v c v c 1v / c
6 第6章 相对论
P
光线： 对 (2) 光线：O → M2 → O
M2
由 l1 = l2 = l 和 v << c
电动力学遇到了一个重大的问题， 电动力学遇到了一个重大的问题，就是与 牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。 牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。
5 第6章 相对论
伽利略变换的困难 Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换
c =1/ ε00 = 2.998×108 m s
莫雷实验的零 迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果 迈克耳逊 - 莫雷实验
任何惯性系去测量光 速都是c， 速都是 ，与光源及参 照系的运动无关。 照系的运动无关。
一切物 理规律
力学规律
(1) Einstein 相对性原理 是 Newton力学相对性原理的发展。 力学相对性原理的发展。 力学相对性原理的发展 (2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对。 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对 针锋相对。 (3)观念上的变革 观念上的变革 时间 长度 牛顿力学 质量 与参考 系无关 狭义相对 论力学
14
时间和长度等的测量 时间和长度等的测量 速度与参考系有关 (相对性) 相对性) 长度 时间 质量 速度与参考系有关
第6章 相对论
光速
光速为 c
光速为c 光速为
v v
c+v c
c X′
X
显然这是违背“ 显然这是违背“GT”的，但迈克尔逊 莫雷实验的负结果就 的 但迈克尔逊-莫雷实验的负结果就 是必然的了。有人感到不好理解： 是必然的了。有人感到不好理解：
真空中的光速相对任何惯性系， 2）光速不变原理——真空中的光速相对任何惯性系， 光速不变原理 真空中的光速相对任何惯性系 沿任意方向恒为c，且与光源的运动状态无关。 沿任意方向恒为 ，且与光源的运动状态无关。
包括两个意思： 包括两个意思：
13
光速不随观察者的运动而变化 光速不随光源的运动而变化
第6章 相对论
2l2 1 t2 = ( ) 2 2 c 1v / c
vt2
t = t2 t1 = lv2 /c3
2l v2 t1 ≈ (1+ 2 ) c c
2
2l v t2 ≈ (1+ 2 ) c 2c 2l v2 当仪器转动 π / 2 后，引起干涉条纹移动 N = λ c2
实验结果: 实验结果:
两束光线 的时间差
1 第6章 相对论
然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势， 然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太 19世纪 的学说也因此大大发展。 的学说也因此大大发展。 电磁学经过麦克斯韦、赫兹等人的努力， 电磁学经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成 熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与 电动力学， 熟的电磁现象的动力学理论 电动力学 实践上将光和电磁现象统一起来， 实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率 范围内的电磁波， 范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一 起来。 起来。 以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。 以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直 19世纪末 人们企图寻找以太。 世纪末， 到19世纪末，人们企图寻找以太。
那么， 那么，对应狭义相对论的 坐标变换又是什么呢？ 坐标变换又是什么呢？
16 第6章 相对论
1) 超越自我认识的局限 2) 自觉摆脱经验的束缚 ——以事实为依据 以事实为依据
8 第6章 相对论
创新、向传 统观念挑战
爱因斯坦 冲破了旧的传统的思想的束缚
否定了牛顿力学中引以为基础的 绝对时间和绝对空间框架。 绝对时间和绝对空间框架。 1905年 1905年6月30日，德国《物理学年 30日 德国《 接受了爱因斯坦的论文《 鉴》接受了爱因斯坦的论文《论 动体的电动力学》 并在同年9 动体的电动力学》，并在同年9月 的该刊上发表。 的该刊上发表。 这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了 这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章， 狭义相对论的基本思想和基本内容。 狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根 据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。 据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。