东北师范大学 8-2 狭义相对论的时空观
狭义相对论时空观
u c
x ut
有
1- u 2 c 2 1， ux c 2 0
x
1- u 2 c 2
x ut
t
t ux c 2为伽利略变换
洛伦兹变换：
x ut x 2 2 1u c y y z z t ux c 2 t 2 2 1u c
当杆儿静止在S’参考系时：
x1 L0 杆儿的长度 x2
当杆儿随S’参考系 相对S系 以速度u匀速运动时：
x1
x1 ut1 1- u 2 c2
, x2
x2 ut2 1- u 2 c2
x1 x2
当
x2 ut2 1- u 2 c 2
x1 ut1 1- u 2 c 2
2
1 2 34 1 2 4 2 2 2c 8c 1 c
1 3 1 p m0 (1 ) m0 m0 2 4 2 2c 8c 2c
2 4
2
能量-动量关系
E p c m c
2 2 4
4 4 0
总结：
相对论的两条原理：1、相对性原理，2、光速不变原理
2
当 v c
v2 时， 2 0, 所以 c
1 E m0c 2 m0v 2 2
m0c 2 叫做静能量，
1 m0 v 2 牛顿力学中的动能 2
v c, E
静质量不等于零的物体不能以光速运动
狭义相对论中的动量与能量
动量 p m
1
m0 1 2 / c
c x
u x uc x u x uc 1 2 1 2 c c uc uc c c u cu 1 c
相对论时空观
四、速度变换法则
在S系中
dx
dy
dz
ux dt , uy dt , uz dt
在S 系中
ux
dx dt
,
uy
d y dt
,
uz
dz dt
7
对洛伦兹变换求微分，得
dx
dx v dt 1 v2 / c2
d y d y
dz dz
dt
dt
v dx
/
c2
1 v 2 / c 2
8
S系到S 系的速度变换公式 速度变换公式的逆变换
例5：试讨论静止参照系中介子的平均寿命。
解：从静止参照系看来，实验室的运动速率为u= 0.99c,实验室中测得的距离l =52m ,为原长，在介 子参照系中测量此距离应为：
13
l l
1
v2 c2
7.3m
而实验室飞过此距离所用时间为：
Δ t l 7.3m 2.5108 s v 0.99c
系)观测， 介子的寿命为：
0
2.603 108
s
1 v 2 / c2 1 (0.9200 )2
6
= 2.603 108 2.552 s = 6.642 108 s
在衰变前可以通过的路程为
s = v = ( 0.9200c 6.642 108 ) m
= 18.32 m >17 m
即 介子在衰变前可以通过17 m的路程。
S 系两个不同地点同时发生的事件，在S系看也不是
同时发生的。
二、时间延缓效应
如果在S 系的同一地点先后发生了两个事件，时间
是t1 和t2 ，时间间隔为
t = t2 t1
2
则
Δ
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种物理学理论，它涉及到了时间和空间的观念。
狭义相对论的三个时空观如下：
1. 相对性原理：狭义相对论的第一个时空观是相对性原理，它认为物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。
换句话说，物理定律在不同的观察者之间是不变的，无论他们的运动状态如何。
这意味着没有一个特定的参考系是绝对的，而是都是相对的。
2. 光速不变原理：狭义相对论的第二个时空观是光速不变原理，它指出光速在真空中是恒定不变的，无论观察者自身的运动状态如何。
这意味着光在不同的参考系中传播的速度始终是相同的。
这个原理对于理解狭义相对论中的时间和空间的变化至关重要。
3. 时空的相对性：狭义相对论的第三个时空观是时空的相对性。
根据狭义相对论，时间和空间是相互关联的，构成了一个四维时空的连续体。
观察者的运动状态会导致时间和空间的相对变化，即时间的流逝速度和空间的长度会随着观察者的运动状态而发生变化。
这个时空观对于理解相对论中的时间膨胀和长度收缩等效应至关重要。
大学物理课件-狭义相对论的时空观
s s'
y y' u
d
12
s'系同一地点 B 发生两事件
9 6 3
o o'
B
12
x' x
( x ' , t '1 ) 接受一光信号 ( x ' , t '2 )
发射一光信号 时间间隔 t ' t '2 t '1 2d c 在 S 系中观测这两事件：
s
y
9
3 6
o
9
x1
12
d
3
( x1 , t1 ), ( x2 , t 2 )
9 6
x' 3 x
在 S 系中这两个事件是同时发生的。 注意 此结果反之亦然。
结论：
沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个 事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性 系中观察则不同时，所以同时具有相对意义。 只有在同一地点，同一时刻发生的两个事件， 在其他惯性系中观察也是同时的。 说明： 1）同时性是相对的。 2）同时的相对性是光速不变原理的直接结果。 3）同时的相对性否定了各个惯性系具有统一 时间的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。
强调：要在某一参照系中测棒的长度，就要测 量它的两端在同一时刻的位置间隔，尤其在相 对被测物体运动的参照系中。
长度的测量是和同时性概念密切相关的。 根据爱因斯坦的观点，既然同时是相对的， 那么长度的测量也必定是相对的。
二、长度的收缩
设有一刚性棒，相对于S 系静止，沿 x 轴方向放置。
在S´系测量，长度为：
事实应当如何呢 ? 这就是著名的双生子佯谬。
如果以地球为一个惯性系，飞船相对地球作匀 速直线运动，为另一个惯性系，两个惯性系是对称 的。兄弟俩都以自己参考系内异地同步的钟与对方 参考系内同一个钟进行比较，各自认为对方的钟变 慢，是没有矛盾的。 但如果两参考系真是对称的，则兄弟分开后就 再也不会相遇，也就无法比较谁更年轻了。 问题的关键在于长兄要返回，他必须作变速运 动，飞船至少不可能永远是惯性系，因此两参考系 就不再对称了。 事实上，若不考虑飞船变速运动引起的时间修 正，设兄弟于20岁分开，取γ ＝5 ，哥哥航行了10 年，返回时是30岁，而弟弟 t 20 10 70 70岁了！
3狭义相对论的时空观
4.3 狭义相对论的时空观4.3.1 同时的相对性光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。
1 “同时”的定义设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。
这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。
2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验”设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。
但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。
于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。
就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。
在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。
3 同时的相对性设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有2221'11c u c ux t t --=, 2222'21c u c ux t t --=，即()0122122'1'2≠---=-cu x x c ut t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。
同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。
若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0'1'2<-t t ,可得出结论，沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一惯性系中观察,则总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
2狭义相对论的时空观
注意
长度收缩是一种相对效应, 此结果反之亦然 .
当 1时 l .l0
洛伦兹收缩: 运动物体在运动方向上长度收缩 .
思考:与运动方向垂直的长度收缩吗？
“长度收缩效应”果真存在吗？ μ介子的发现证实了“尺缩效应”。
宇宙射线中的介子是不稳定的粒子， 它的平均寿命为 2.2×10-6 s, 运动速度为0.998c。
1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子钟做实验。发现绕地 球一周的运动钟变慢了203±10ns，而按广义相对论预言运动钟 变慢184 ± 23 ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了 孪生子效应。
例 飞船以 u 9103ms1 （32400km/h）的速率相对地面飞行。
飞船上的钟走了 5 秒，问用地面上的钟测量经过了几秒？
若以火箭为参考系测得火箭长度为 15 m ，问以地球为参考系，此 火箭有多长 ？如果飞机相对于地球飞行的速度为1000m/s，结果又 如何？
y y'
l0 15m
o o'
v x'
x
s'
火箭参照系
s
地面参照系
解 ：固有长度 l0 l' 15m
l l0
1
v2 c2
l0
1 2
v=0.95c
l 15 1 0.952m 4.68m
vz 1vuczv2x
对u<<c，vx<<c
情况 伽里略速度变换
v
v
u
1u2 c2 1u2 c2
讨论：
v2
vx2
vy
2
vz
2
1
(1
u2 c2
狭义相对论的时空观
如: 父母从甲地迁到乙地生下自已的儿子就必须 有一迁移速度u
投球，就有球从出手到进球的速度…..
所有这些都称为信号传递速度。
或者说：因果关系不能颠倒，导至
v c2 u 1
vc uc即因果关系不
能颠倒导至信
结论：有因果关系的问题的 号传递速度不
时序是不能颠倒的。尽管时 能超过光速C。
空是相对的，但相对论中也 光速C是最大
与实2021/验8/17 情况吻合得很好!
18
注意:时间的延缓是时空的自身的一种特性,与过 程是生物的,化学的还是机械的无关!包括人的生 命.为此介绍双生子佯谬.(Twin paradox)
一对双生兄弟:“明明”和“亮亮”,在他们20 岁生曰的时候 ,明明坐宇宙飞船去作一次星际 旅游,飞船一去一回作匀速直线运动,速度为 0.9998C.明明在天上过了一年,回到地球时,亮 亮已多大年龄?
O’ O
t t0
t
' 1
Y’
X’
t O’
t
' 1
t0
X’
X
如果换成K’系来观测K系的钟呢？
2021/8/17
15
Y’
v
K’
K
Y’ 你的钟 慢了！
O’
Y O
2021/8/17
X’
v
K’ X’ X
16
我们看一雷达钟，
t00
结果 一样！
2021/8/17
17
时间延缓的实验验证：
1966---1967年欧洲原子核研究中心（CERN）对 粒子进行了研究。粒子是一种基本粒子，在静 系中测得的寿命为0=2.210-6秒.当其加速到v= 0.9966C时,它漂移了九公里.
狭义相对论的时空观20页PPT
2c 3
S S/
u
研究：天线长度，倾斜角
S ——地 S/ ——飞船
已知： S/中 L0 1m
Lx L0cos0
3 2
Ly L0si n012
S中：L xL x 1 232 1 2 31 2
Ly
Ly
1 2
L
L2xL2y
2 2
tgLy 1 45
Lx
13
S
S/ 0
u
地球
L0
恒星
飞船走比原长 L 0 短的距离就可到达恒星；
的寿命，已测得静止p-介子的平均寿命0=2×10-8s。某加速
器产生的p-介子以速度u =0.98c相对实验室运动。试求p-介子 衰变前在实验室中通过的平均距离。
S
S/ p
u 0.9c8
x/ x
研究：p 介子能走多远
S ——实验室 S/ —— p 介子
在S/ 中：p 介 子静止，经历原时，t 0 x 0
S ——长方形
3. 当 u << c 时: 1u2 c2 1 LL 0 绝 对 时 空 观
4. 如何理解：一切惯性系都是等价的？
等价并不是说我们看到的结果一样。
两个一米尺，一个静止，一个上飞船，我们看静止的一
米，飞船上的不到一米；而宇航员看飞船上的一米，我们这
里的不足一米，收缩程度一样。
12
例：飞船上的天线 L0 1m ，0 30，u
在S 中： t 0 12
xu
10
三. 空间的相对性 长度收缩
S S/
u 研究：a b的（固定在S/中x/轴上）长度
x/
S ——地
a
b
x S/ ——车
狭义相对论的四维时空观
狭义相对论的四维时空观狭义相对论的四维时空观狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。
在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。
现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。
我在一个帖子上说过一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。
四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。
在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。
在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。
另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。
值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。
四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。
可以说至少它比牛顿力学要完美的多。
至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。
这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。
在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
--------------------------------------------------------------------------------狭义相对论基本原理物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。
§15.3 狭义相对论的时空观解析
年远，来回需8年，至牛郎星，16光年远，至织女星，26.3
光年远，来回需三五十年，有生之年或许可去一趟。若跨出 银河系，到最近的星系（小麦哲伦云）也需15万光年，今生
今世不必问津了。
以上是经典力学的看法，只适用于地球参考系。
按相对论时空观
外星人固有长度为 L0=90 m的飞船，沿船长方向相对地球以 v =0.80 c 的速度在一观测站的上空飞过，该站测得飞船长度 及船身通过观测站的时间间隔各是多少？船中宇航员测前述时 间间隔又是多少？
2
2
t' t ut c
2 2
2
t' t 2 1 u c
记： 0 t'
t
0
1
u c
2
1 1 2
0
相对光源静止参考系 原时（同地）
讨论 (1) 当v << c 时， (2) 时间延缓效应
~ 1, 0
在 S' 系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间 隔 t'，在 S 系中观测者看来，这两个事件为异地事件， 其之间的时间间隔 t 总是比 t' 要大。
6
在不同惯性系中测量给定两事件之间的时间间隔，测得的
结果以原时最短。
运动时钟走的速率比静止时钟走的速率要慢。
(4) 时间延缓效应是相对的。 (5) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。 (6) 时间延缓效应显著与否决定于 因子。 (7)时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例 如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等。）
l x 3.844 108 m
火箭从地球飞径月球的时间为
8 Δ x 3 . 844 10 t 1.6 s 8 u 0.8 3 10
狭义相对论时空观
2016
一、“同时”的相对性
同时的相对性：由于光速不变，在某个惯性系中同时发生的 两个事件，在另一相对它运动的惯性系中，并不一定同时发生。 同时相对性的假想实验： 在火车中部一光源发出 的光信号，在火车上有A，B 两信号接收器，对火车上的 观察者来说，A,B同时受到信 号，但对于地面上的观察者来 说，由于光速不变，A先收到, B后受到。这便是同时相对性。
因此，在低速空间内“同时性”于参考系选择无关。 ③有因果关系的事件，因果关系不会因为参考系的改变而变化。
二、时间膨胀效应
1.运动的时钟变慢 在坐标系S中同一地点 X'处发生两件事。在
S坐标系中记录时间分别为
t1和 t 2。Δx'=0
两件事件时间间隔为 t t2 t1。
我们定义在相对发生的地点为静止参考系中 测得的时间间隔为固有时间，用 t 0 表示。 即 t t
t
t0
2、明确几点： ①.运动的时钟变慢。 ②静止的时钟走的最快，固有时最短。
t t0
1 1
2
③低速空间相对论效应可忽略。
v c, 0, t t ' t0
④时钟变慢是相对的。在S'系看S系中时钟变慢，反之S系中看S'系 中的时钟也变慢。
三、长度收缩
x1 ' x2 ' , x' 0 t1 ' t 2 ' , t ' 0 由t t 'vx' / c 1
2 2
0
知，在S系中这两件事是同时发生的。
2、明确几点： ①同时性没有绝对意义。 ②当v<<c时，
1 1（ - v/c)
大学物理学习课件183狭义相对论的时空观
l y l y l y l 0 sin 45 S S 2 2 l x l0 cos 45 l l 1 v / c x x
x x
2 2 2 2 l lx ly l0 (l v / c ) x
o
o
l 0.79 (m)
生的时间间隔同样也与参照系有关。 实验：固定在小车上的光脉 冲装置发射和接受光 脉冲的时间间隔的测 量。
s
s
平面镜
o
o
x
x
·7 ·
Chapter 18. 相对论
§18. 3 狭义相对论的时空观
系中观测者测得光脉冲的发射与接收时间 S
间隔:
2d t c
s
v
s
平面镜
d
o
o
c
x
x
o o
A B
x x
· 16 ·
Chapter 18. 相对论
§18. 3 狭义相对论的时空观
S系的钟比我快，当然S系观测者得
出我的时间间隔变缓的结论！
s s v s
v
o o
A
x
o
x x
B
· 17 ·
Chapter 18. 相对论
§18. 3 狭义相对论的时空观
2. 在S参照系中的观测者认为S’系两个同地点发生的 两个事件时间间隔变大，即意味地面观测者认为运 动的宇航员的动作变得迟缓，心律变慢，年轻了； 反之，宇航员也认为地面的人变得年轻了，真的这 样？（宇航员和地面上的观测者是孪生兄弟，哥哥 在飞船上，弟弟留在地球上）
S' v
A
S
S' v
B
o'
x'
2狭义相对论的时空观
假设
t 0
事件1先于事件2发生
两独立事件间的时序
u x2 x1 c 2 t2 t1
t' 0 t' 0 t' 0
时序不变 同时发生 时序颠倒
u x2 x1 c 2 t2 t1
u x2 x1 c 2 t2 t1
(1) 同时性是相对的。 (2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。 (3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性，
否定了牛顿的绝对时空观。
时序
t2 t1 u x2 x1 c 2 t' t ' t '
2 1
1
2
在 S 系中 在 S' 系中
y'
l
' y'
v
' l' x ' x'x
2 2
' 45 , l ' 1m 解：在 S' 系
l ' x ' l ' y ' 2 / 2m
在S系
o o'
l y l ' y ' 2 / 2m
l x l ' x ' 1 v / c 2l ' / 4
l l l 0.79m
t1 t2
(t 2 t1 ) u ( x2 x1 ) c 1
2
2
显然，在 S 系中不同地点(x2 ≠ x1) 同时发生 (t2 = t1 ) 的两个事 件，在 S' 系中观测并不同时( t'2 ≠ t'1)。
8-2 相对论2-时空观1
思考：哪个时间为原时？
地球系：非原时；飞船系：原时
火车系：S ʹ′系
I( xA, yA ,zA,t )
sʹ′系 Aʹ′
. Cʹ′
s系
.
.
A
C
II( xB , yB ,zB ,t )
Bʹ′ u . B
设在S 系中，两闪电的光信号同时到达AB的中点 C， 对S系：闪电击中车头和车尾为同时事件
在 S' 系中，两闪电的光信号是否同时到达 C' 呢？
Aʹ′
sʹ′系
实验验证： 1）µ 子衰变
宇宙射线和大气相互作用时能产生 π介子衰变，在大
气上层放出 µ 子。这些 µ子的速度约为 0.998c，如果 在实验室中测得静止 µ子的寿命为 2.2 ×10−6 s ，试问，
在8000 m 高空由π 介子衰变放出 的 µ子能否飞 到地面 ？
解： 按照经典理论， µ 子飞行的距离为
x2
x
II (x ,t ) 22
N2
Δt = 非原时
Δtʹ′
1
−
⎜⎛ ⎝
u c
⎟⎞ ⎠
2
= γ Δtʹ′ > Δtʹ′ 原时
在 s 系中用 N1 、N2 钟测量 sʹ′系中N 钟所测得的原时 Δtʹ′ ，
将获得一个放大了的时间间隔 Δt ——时间膨胀
在 s 系中看来，相对它运动的 sʹ′系内的钟走慢了。
u Δt ≤ c2 Δx Δx ≥ c2 > c Δt u
有可能由信号关联
不可能由信号关联
即在 sʹ′系中观测，事件1有可能比事件2先发生、 同时发生、或后发生，时序有可能倒置。
与因果律是否矛盾？ 两惯性系间的相对速度 u < c 有因果关联的事件之间的信号速率 满足时序不变条件
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论的三个时空观
狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的一种新的时空观，它颠覆了牛顿力学的时空观，提出了三个新的时空观，分别是相对性原理、光速不变原理和等效原理。
相对性原理是狭义相对论的核心，它指出物理规律在所有惯性系中都是相同的。
也就是说，无论在哪个惯性系中观察，物理规律都是一样的。
这个原理的提出，打破了牛顿力学中绝对时空的观念，强调了时空的相对性。
光速不变原理是狭义相对论的另一个重要原理，它指出光速在任何惯性系中都是不变的。
也就是说，无论在哪个惯性系中观察，光速都是不变的。
这个原理的提出，引发了对时空的重新认识，强调了时空的相对性和不可分割性。
等效原理是狭义相对论的第三个重要原理，它指出惯性质量和引力质量是等效的。
也就是说，任何物体在重力场中的运动状态，都可以等效地看作在惯性系中匀速直线运动。
这个原理的提出，揭示了引力与惯性的本质联系，强调了物理规律的普适性和等效性。
总之，狭义相对论的三个时空观，相对性原理、光速不变原理和等效
原理，都是对时空的重新认识和理解，它们打破了牛顿力学中绝对时空的观念，强调了时空的相对性和不可分割性，揭示了物理规律的普适性和等效性。
这些时空观的提出，不仅推动了物理学的发展，也深刻影响了人们对世界的认识和理解。
狭义相对论的时空观
解： 按经典力学：L u 3 1 0 8 2 .2 1 0 6 6 6 0 m
按相对论力学，地面系上测：
tg1u 2c21 2 .2 0 .9 1 9 0 6 6 6 22 .7 1 0 5s
L g u t g 3 1 0 8 2 .7 1 0 5 8 1 0 3 m
t2
t1
u c2
( x 2 x1 )
1
u2 c2
则在其他惯性系中必定不是同时发生的，这就是同时性的
相对性.
2. 在一个惯性系中同时同地发生的事件，即
t2 t1 0 x2 x1 0
在其它惯性系也必同时同地发生，因此同时性的相对性只 是对两个同时事件发生在不同地点而言，当两个同时事件 发生于同一地点时，同时性是绝对的.
§4狭义相对论的时空观
一、“ 同时” 的相对性 u
S'
A A`
c cM
ut
B B`
S
爱因斯坦火车(Einstein train)
实验装置
在火车上 A、B 分别放置信号接收器
中点 M 放置光信号发生器
M 发一光信号
事件1 A 接收到闪光
事件2 B 接收到闪光
·飞船上看， 若u = 0.6c可得t 2 - t 1 =0，
甲乙同时出生不分哥弟 若u = 0.8c可得t 2 - t 1 <0，甲后乙先
甲---弟 乙---哥
时序颠倒了!
·由相对论变换，会不会得到如此情况: 子弹先打到靶上而后出枪口? 儿子先出生而爸爸后出生?
•(3)因果关系的绝对性 • 若两事件有因果关系，时序是不会颠倒的
狭义相对论的时间观
一、同时的相对性（Relativity of Simultaneity ）： 狭义1．概念相对论的时空观认为：同时是相对的。
即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的。
例如：在地球上不同地方同时出生的两个婴儿，在一个相对地球高速飞行的飞船上来看，他们不一定是同时出生的。
2．例子：Einstein 列车：以u 匀速直线运动，车厢中央有一闪光灯发出信号，光信号到车厢前壁为事件1，到后壁为事件2；地面为S 系，列车为S'系。
在S'系中，A 以速度v 向光接近；B 以速度v 离开光，事件1与事件2同时发生。
在S 系中，光信号相对车厢的速度v ’1=c-v ，v ’2=c+v ，事件1与事件2不是同时发生。
即S'系中同时发生的两个事件，在S 系中观察却不是同时发生的。
因此，“同时”具有相对性。
说明：Lorentz 速度变换式中，是求某质点相对于某参考系的速度，不可能超过光速。
而在同一参考系中，两质点的相对速度应该按矢量合成来计算。
2．解释：在S'系中，不同地点x 1'与x 2'同时发生两件事 t 1'= t 2'，Δ t '= t 1'- t 2'=0，Δ x '=x 1' – x 2'在S 系中()221c v x c v t t -'∆+'∆=∆由于Δ t '=0。
Δ x '=x 1' – x 2'≠0，故Δ t ≠0。
可见，两个彼此间作匀速运动的惯性系中测得的时间间隔，一般来说是不相等的。
即不同地点发生的两件事，对S'来说是同时发生的，而在S 系中不一定是同时发生的。
若Δ x '=x 1' – x 2'=0，则Δ t =0，即是同一地点同时发生的两件事，则在不同的惯性中也是同时发生的。
狭义相对论
爱因斯坦的时空观东南大学物理系董科牛顿的时空观在牛顿力学中，时间和长度的测量是绝对的伽利略变换公式CA CB B AC A C B B AC A C B B A→→→→→→→→→=+=+=+r r r v v v a a a 牛顿的相对性原理：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式假想实验一:真空中光速的测量S参照系中观测S参照系中观测实验表明，真空中光速的测量不依赖于惯性系的选取，这是与由伽利略速度变换公式推出的结论相矛盾的。
有两种可能性电磁现象不遵守相对性原理伽利略速度变换公式光速测量实验伽利略速度变换公式不正确矛盾时间测量的绝对性不正确长度测量的绝对性不正确？？？？狭义相对论的两个基本假设爱因斯坦的相对性原理：所有物理规律在不同的惯性系中的表述都是一样的。
光速不变原理：真空中光速不依赖于惯性系的选取。
假想实验二:同时性的相对性结论：时间的测量是相对的。
参照系中观测S 参照系中观测S假想实验三:时间延缓效应参照系中观测S若两事件在某一惯性系的同一地点发生，则该惯性系中测得的时间间隔称为这两个事件的固有时。
参照系中观测S假设：在观测者看来，沿水平方向运动的物体的高度小于其静止不动时的高度静止不动时，火车与山洞等高结论：垂直于相对运动方向的长度测量不受相对运动的影响。
假想实验四:垂直于相对运动方向的长度测量假想实验五:平行于相对运动方向的长度测量l S ''=参照系中测得救护车的车身长度l S =参照系中静止不动的观测者测得的救护车的车身长度=相对于物体静止不动的参照系中测得的该物固有长度体的长度结论：相对于物体静止不动的惯性系中测得物体的长度最长。
总结200 1l l l β=-(2) （平行于相对运动方向）, 其中长为度收缩效应：固有长度；相对于物体静止不动的参照系中测得的该物体的长度为其固有长度若两事件在某惯性系中发生在同一坐标，则该参照系中测得的两事件的时间间隔为其固有时(3) 垂直于相对运动方向的长度测量不受相对运动的影响。
大学物理(下册) 14.2 狭义相对论的时空观
例：S’系不同空间点发生的光信号接受事件；
事件 1 ：车厢后壁接收器接收到光信号； 事件 2 ：车厢前壁接收器接收到光信号；
由洛伦兹变换可得时间间隔在两惯性系的变换关系：
v t ' 2 x ' c t 1 2
注意：(1)式是讨论时间关系的法则； 讨论三种情况的变换结果：
(1)
a. t ' 0；x' 0； S’系不同地点同时发生的两事件； b. t ' 0 ；x' 0； S’系同地点不同时发生的两事件；
l x2 x1
固有长度：观察者与物体相对静止时所测得的长度。
于是由(5)式得：
l0
l 1 2
l l ' 1 l0
2
(6)
l l ' 1 l0
2
(6)
洛伦兹收缩: 运动物体在 运动方向上长度收缩。
注意：长度收缩是一种相 对效应，是测量结果！
s s'
其中：
υ 0.92c, τ 2.603 10 s
解：分析 设 介子为 S 系、地球为 S 系，直 接由时间变换关系式解得地球参考系粒子的寿命 及通过的路程为：
t
τ 1 υ2 / c 2
2.603 10
8
1 (0.92) 2
6.642 108 s
L υt 0.92c 6.642 108 18.32m
1. 在S.R中，除长度不是绝对量外，时间间隔也不是 绝对量。设S’系同一地点发生两事件： S’系静止钟表记录两事件时间间隔： t ' t '2 t '1；
t t 2 t1； S 系静止钟表记录两事件时间间隔：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、同时性的相对性 发生在两个惯性系中两个事件的时间间隔： 如果在S系的两个不同地点同时分别发出一光脉冲 信号A和B，它们的时空坐标分别为 A ( x1 , y1 , z1 , t1 ) 和 B ( x2 , y2 , z2 , t 2 ) 因为是同时发出的，所以 t1 = t2。 在S 系观察，两个光脉冲信号发出的时间分别是 2 2 t1 vx1 / c t 2 vx2 / c t1 t2 和 2 2 2 2 1 v / c 1 v / c
10
对洛伦兹变换求微分，得
d x 2 2 1 v / c d y d y d z dz 2 dt v d x / c dt 2 2 1 v / c
从S系到S 系的速度变换公式：
11
d x v dt
S系到S 系速度变换公式
0
1 v / c
2
2
2.603 10
8
1 ( 0.9200 ) 2
s
8
=2.6031082.552s=6.642108s
在衰变前可以通过的路程为
s=v=(0.9200c6.642108) m=18.32m>17m
所以 介子在衰变前可以通过17米的路程。 还可以从长度收缩效应来讨论这个问题。 在 介子参考系(S 系)观测，粒子不动，而实验室 相对于它以0.9200c的速度运动，在 介子的固有寿命 期间实验室运动的距离为l =v0= (0.9200c2.603108) =7.179m 从介子参考系(S 系)观测，空间路程l0 (=17m)要 收缩为17.000.3919m=6.663m。 相对论时间延缓总是与长度收缩紧密联系在一起的， 所有验证相对论时间延缓效应的近代物理实验，都同 样验证了相对论长度收缩效应。 9
速度变换公式的逆变换
ux v ux 2 1 vu x / c
2 2 uy 1 v / c uy 2 1 vu x / c 2 2 uz 1 v / c u z 2 1 vu x / c
ux v ux x / c 2 1 vu
4
5
三、长度收缩效应 在S 系沿x 轴有一长杆，两端坐标为x1 和x2 ， 静止长度（固有长度）为 L = L0 = x2 x1 。 在S系中测量同一杆的长度， y y 根据洛伦兹变换，有 S S x1 vt1 v x1
1 v / c
2
2
x 2
x 2 vt 2 1 v2 / c2
13
例3 原长为15m的飞船以v＝9×103m/s的速率相对 地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？
解
l l0
v 1 2 15 1 9 103 3 108 m c
2
14.999999998 m 差别很难测出。
假设飞船的速率为v=0.95c，从地面上测量，它的 长度又是多少？ 解
y 1 v 2 / c 2 u uy 2 1 vux / c 2 2 u 1 v / c uz z 2 1 vux / c
12
例2 介子在高速运动中衰变，衰变时辐射出光子。 如果 介子的运动速度为0.99975c，求它向运动的 正前方辐射的光子的速度。
在狭义相对论中，时间与空间是互相联系的。
2
二、时间延缓效应 如果在S系的同一地点先后发生了两个事件，事件发 生的时间是t1 和t2 ，时间间隔为t=t2t1 ，则有
Δ t t 2 t1
Δ t 1 v2 / c2
t 2 vx0 / c 2 1 v / c
O′ O
L0
x1
x
x x 2
因为 t1 = t2 ，杆的静止长度为
6
ΔL0 x2 x1
即
x2 x1 1 v / c
2 2
2
ΔL 1 v / c
2 2
ΔL ΔL0 1 v / c
2
上式表示，在S系观测到运动着的杆的长度比它
的静止长度缩短了，这就是狭义相对论的长度收缩 效应。 由于运动的相对性，长度收缩效应是互逆的，放 置在S系的杆，在S 系观测同样会得到收缩的结论。
在π 介子参考系中测量此距离应为
16
l l
v 1 2 ＝52 1－(0.99 ) 2 m 7.3 m c
2
而实验室飞过此距离所用时间为
l 7.3m 8 Δt 2.5 10 s v 0.99c
这就是静止π介子的平均寿命。
例6 一飞船以v = 9×103m/s的速率相对于地面匀速 飞行。飞船上的钟走了10分钟 , 地面上的钟经过了 多少时间？若v = 0.95c结果又如何？
18
1
因为 t1= t2，故时间间隔为
Δ t t 2 t1
v ( x1 x2 ) / c 2 1 v / c
2 2
0
可见，在S系中两个不同地点同时发生的事件，在 S 系看不是同时发生的，这就是同时性的相对性。 因为运动是相对的，所以这种效应是互逆的，即在
S 系两个不同地点同时发生的事件，在S系看也不是 同时发生的。 当x1= x2时，即两个事件发生在同一地点，则同 时发生的事件在不同的惯性系看来才是同时的。
解 设实验室参考系为S系，随同介子一起运动的 惯性系为S 系，取和光子运动的方向为x轴，由题意， v=0.99975c，ux=c。根据相对论速度逆变换公式
ux
u x v 1 vu x / c
2
cv cv
cc
可见光子的速度仍然为 c ，这已为实验所证实。若 按照伽利略变换，光子相对于实验室参考系的速度是 1.99975c，这显然是错误的。
7
例1 在研究宇宙射线时，发现一种被称为 介子的不 稳定粒子，质量约为电子质量的273.27倍，固有寿命为 2.603108s。如果 介子产生后立即以0.9200c的速度 作匀速直线运动，问能否在衰变前通过17m路程？
解 设实验室参考系为S系，随同 介子一起运动 的惯性系为S 系，根据题意，S 系相对于S系的运动 速度0.9200c，即v=0.9200c。 介子在S 系的固有寿 命为2.603108s, 而从实验室参考系(即S系)观测 介子的寿命为
1 2 cos2 0.79 m l l l l
2 x 2 y
tan
ly lx
tan ' 1 2
2
63.43
在S系观测，运动的棒不仅长度收缩还要转向。 例5 试从π 介子在其中静止的参考系来考虑π 介 子的平均寿命。 解 从π 介子的参考系看来，实验室的运动速率 为 u=0.99c,实验室中测得的距离是l=52m ,为原长，
l l0
v2 1 2 ＝15 1－（0.95) 2 m 4.68m c
14
可见在高速情况下长度收缩十分明显。
例4
得棒与 x轴成45度角，设 S' 以0.87c的速率相对S系沿 xx轴运动，求棒与Ox轴的夹角。 解 棒长在O′x′和O′y′轴上的分量为
y′
长为1m的棒静止地放在平面内，在 S'系中测
四、速度变换法则
现在我们要讨论的是，同一个运动质点在两个相对
作匀速直线运动的参考系(S系和S 系)之间的速度变换
关系。设质点在这两个惯性系中的速度分量分别为
在S系中
dx dy dz ux , uy , uz dt dt dt
在S 系中
d x d y d z u , u , u x y z dt dt dt
17
解
Δt′为原时间
Δt
Δ t v2 1 2 c
Байду номын сангаас
1 9 10
10
3
3 10
8
2
min
=10.000000004 min 若v = 0.95c
Δt Δ t v 1 2 c
2
10 1 0.95
2
min 32.1 min
可见，在高速情况下，飞船的时间膨胀效应十 分明显，运动的钟变慢了。
2 2
t1 vx0 / c 2 1 v2 / c2
>t
上式表示，如果在S 系中的时间间隔是t，则在S 系中的时间间隔t 总要比t 长，即相对于S 系运动 的时钟变慢了，这就是狭义相对论的时间延缓效应。 时间延缓效应是互逆的，即如果在S系中同一地点相 继发生的两个事件的时间间隔为t，那么在S 系测得 的t 总比t长。 3
l x l cos ' ; l l sin y
在S系观察此棒在O x 和O y 轴上的分 量为
θ′ O′
x′
1 2 l cos 1 2 lx lx
l y l l sin y
保持不变
15
在S系观察此棒的长度为