今日物理的point3

第四章

电脑显示器：

在短促的瞬间，电子显像在显示屏上——这正好符合爱因斯坦的狭义相对论。

精准的激光：

激光理论

数码相机：

从镜头飞进来的光子会把半导体里的电子挤走，这同样利用了光电效应。

控制X射线的能量、原子弹、氢弹：

相对论问题包括两个方面：

1.物理规律与参考系无关－－相对性原理

2.在两个参考系中对同一事件的描述形式不同，

之间存在一个变换关系－－－变换式

变换式与相应的相对性原理相对应。

牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换；

狭义相对性原理对应洛仑兹变换。

相对论的很多结论与我们的常识不符。如时间膨胀、长度收缩、空间弯曲、宇宙有限而无边、黑洞等。

对称性

相对论产生的思想基础来源于对称性。

物理理论的对称性

(1) 形象对称

(2)抽象对称

抽象对称性往往是指从一个概念、一个命题或一个定理中反映出来的对称性。

德布罗意：物质波概念的提出、波粒二象性

狄拉克：正电子、反物质

爱因斯坦：狭义相对论和广义相对论的提出

(3)数学对称

在数学上，将两种情况通过确定的规则对应起来的关系，称为从一种情况到另一种情况的变换。数学对称性可称之为变换不变性。如果某一现象(或系统)在某一变换下不改变，则说该现象(或系统)具有该变换所对应的对称性。

时间平移对称性——能量守恒定律

空间平移对称性——动量守恒定律

空间旋转对称性——角动量守恒定律

对称性破缺与自然界的进化

宇宙起源大爆炸说：

宇宙极早期（完全对称统一）——体积膨胀，温度降低（对称破缺），产生时空——粒子、原子——物质。

生命的起源：无机物—有机物—光活性物质—原始生命

光活性物质：左右不对称（立体异构）分子

无生命世界：左右不对称的对映异构体等量存在

生物体：左手性和右手性分子不等量

绝对时空观是推导伽里略变换公式的前提，自然也是其最大缺陷，我们没理由把低速下获得的经验想当然的认为其也适用于高速情况。

3.1光速不满足经典力学速度合成定律

1. 伽利略变换不是经典电磁定律的对称操作

2.伽利略变换与高速运动(光的传播)的实验结果不符

3.2 一切物体都不能加速到光速

爱因斯坦的狭义相对论

4.1 狭义相对论的两条基本原理：

1.狭义相对性原理：

一切物理定律在所有的惯性系中都有相同数学形式。

所有的惯性系对物理规律等价。

2.光速不变原理：

在所有的惯性系中,真空中的光速恒为c ，与光源或观察者的运动无关。

洛仑兹变换的意义

(1) 洛仑兹变换是不同惯性系中时空变换的普遍公式

(2) 与光速不变原理、真空中光速为极限速率的实验事实相协调

(3) 建立了新的时空观

(4) 给出了对物理定律的约束条件：相对论的对称性，即物理定律在洛仑兹变换下的不变性。

狭义相对论的时空观

由洛仑兹变换所描述的时空性质彻底改变了经典的时空观念。

牛顿：存在不同的参考系，但有共同的时间和空间

伽利略变换体现了绝对时间和绝对空间的观念

爱因斯坦：有不同的参考系，就有不同的时间和空间

洛仑兹变换则体现了新的时空观时间和空间不再是绝对的，时间、空间与物体的运动密切相关。

（1）同时性的相对性

（2）长度的相对性

物体的长度沿运动方向收缩

（3）时间间隔的相对性

在S系中观察者觉得相对于自己运动的S pai系中的钟较自己的钟走得慢。

在S pai 系中观察者总觉得相对于自己运动的S系的钟较自己的钟走得慢。

在对称情况下，时间延缓是相对的。

质能关系

狭义相对论的意义

其一，狭义相对论批判地继承和创造性地发展了牛顿、麦克斯韦理论，它不仅能统一地解释已有的实验结果而不发生新的矛盾，而且还可以导出一系列新的普遍性的结果，预言一系列

新的事实，已经被实验所证示。狭义相对论将牛顿绝对时空融于一体，相对论的一切结果，在v<

其二，创立了相对论的时空观

1.在牛顿的绝对时空观中，整个宇宙都有一个统一的时间。

2.但狭义相对论否定了绝对时空，也就否定了绝对同时的观念。

3.在狭义相对论中，同一个惯性系有统一的时间，可以确定两个事件的同时性，但在

不同的惯性系中没有统一的同时性。

其三，论证了物质运动同时间、空间的相互联系、相互转化的辩证关系。

（1）时间和空间是统一的、客观的；

（2）物质运动状况决定了时空的状况，因而时间与空间是可变的；

（3）时间和空间互相依赖，在一定条件下相互转化。

狭义相对论的局限性

1 非惯性系问题：狭义相对论未能解决经典力学的一个古老难题：为什么惯性系在物理上比其它坐标系都特殊、都优越？这一局限促使爱因斯坦作出扩大狭义相对论原理的物理内容的选择。

2 引力问题：狭义相对论与引力现象存在着矛盾，这一矛盾推动爱因斯坦为把引力现象纳入相对论而建立更广泛、更普遍的物理理论——广义相对论

广义相对论

1.广义相对论两条基本原理的提出

（1）爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等这一实验事实出发，通过理想升降机实验，提出了“等效原理”的假设：引力场同参考系的相当的加速度在物理上完全等价。

（2）同时，他把相对性原理从匀速运动系统推广到加速运动系统，提出“广义协变原理”：自然规律同参考系的状况无关，相对性运动原理对于作加速运动的参考系也同样成立。

2. 引力场的度规理论和引力场方程的建立

（1）广义相对论表明，在有引力场存在时，时空不再是平直的的闵可夫斯基空间，而是弯曲的黎曼空间，它的弯曲程度取决行物质的分布，在物质密度越大的地方，引力场就越强，时空就弯曲得越厉害，而在物质分布稀疏的地方，引力场就弱，时空也就弯曲得平缓一些；

（2）物质的分布决定了绝对时空的曲率，物体的动力学方程包含在场方程之中：所有物体都沿短程线运动，光线的路径就是短程路线。

黑洞：这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。

3. 广义相对论的意义

从物理和几何的角度揭示了时间、空间与物质之间的内在联系，彻底否定了绝对时空观，时空不再是可以离开物质而独立存在的实在客体，它不但由物质运动决定，更要决定于物质本身。