6-1 相对论产生的历史背景

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相对论产生的历史背景
第 六章
狭义相对论基础
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相对论产生的历史背景
历史背景
·19世纪末电磁学有了很大发展，1865年 麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组； 预言了电磁波的存在，并指出其速率各向均 为c (真空中)；1888年赫兹(Hertz) 在实验 上证实了电磁波的存在。
·这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变 换，光速在一个参考系中若是c，在另一参考 系中必不是c。
先让光沿地球运动方 向传播，观察干涉条纹， 然后将干涉仪旋转 90 ， 这时应该观察到干涉条 纹的移动。 根据“以太假说”，计 算出干涉条纹移动的数目 为
M2
可动镜
l2 S
G
M1
· P
G1
固 定 镜
l1 o
迈克耳孙干涉仪示意图
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( l1 l 2 ) v 2 ΔN ( ) c
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· 是
伽利略变换正确 而 电磁规律不符合相对性原理? · 还是 电磁规律符合相对性原理 而 伽利略变换该修正? ·爱因斯坦(Einstein)深入分析了此问题，于 1905年发表了《论动体的电动力学》作出 了对整个物理学都有变革意义的回答。
爱因斯坦认为： · 麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立， · 在任何惯性系真空中的光速都是各向为c
为光的波长，v 是地球相对于以太的运动
速度。
l1 l 2 10 m , 500 nm , v 3 10 m /s
4
N 0 .4
仪器可测量精度 N 0 . 01
实验结果
N 0
未观察到地球相对于“以太”的运动.
结论：作为绝对参考系的以太不存在.
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理论计算观察到超新星爆发的强光 的时间持续约 t t B t A 25 年 .实际持 续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?
物质飞散速度 v 1500 km/s
A B
c v
c
l = 5000 光年
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三、迈克耳孙-莫雷实验
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结果: ( 根 据 伽 利 略 变 换 )
球 投 出 前
球 投 出 后
观察者先看到投出后的球， 后看到投出前
v cv
t2
d cv
t1 t 2
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当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些 抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发 过程中光线传播引起的疑问 .
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·提出问题 ： 电磁场方程组在哪个参考系成立呢? ·为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙
中充满了叫“以太(ether)”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
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a y a y
az az
s
y
y
s'
y'
y'
v
x'
o 'x
*P ( x , y , z )
( x' , y' , z' )
vt
o
a a
z z 'z ' z F ma
x' x
F ma
在两相互作匀速直线运动的惯性系中, 牛顿运动定律具有相同的形式.
x' x
z 'z '
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u x u x v
速度变换公式
u y u y
uz uz
s
y
y
s'
y'
y'
v
x'
o 'x
*P ( x , y , z )
( x' , y' , z' )
vt
o
z z
x' x
z 'z '
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加速度变换
a ax x
61相对论产生的历史背景当一颗恒星在发生超新星爆发时它的外围物质向四面八方飞散即有些抛射物向着地球运动现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问5000光年kms150061相对论产生的历史背景点光线到达地球所需时间点光线到达地球所需时间5000光年kms150061相对论产生的历史背景5000光年kms1500理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约
s
o
s'
y'
v c
x' x
z
o' z'
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例 试计算球被投出前后的瞬间，所发 出的光波达到观察者所需时间. 根 据 伽 利 略 变 换 ( )
球 投 出 前
球 投 出 后
c
d
t1
d c
v cv
t2
d cv
t1 t 2
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物质飞散速度 v 1500 km/s
A B
c v
c
l = 5000 光年
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A 点光线到达 地球所需时间 B 点光线到达 地球所需时间
tA
l cv
tB
l c
物质飞散速度 v 1500 km/s
A B
c v
c
l = 5000 光年
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s
y
y
s'
y'
y'
v
x'
o 'x
*P ( x , y , z )
( x' , y' , z' )
vt
o
z z
x' x
z 'z '
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s
y
y
s'
y'
y'
v
x'
o 'x
*P ( x , y , z )
( x' , y' , z' )
vt
o
z z
以后又有许多人在不同季节、时刻、 方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验．近年 来,利用激光使这个实验的精度大为提高, 但结论却没有任何变化． 迈克耳孙-莫雷实验测 到以太漂移速度为零,对以 太理论是一个沉重的打击, 被人们称为是笼罩在19世纪 物理学上空的一朵乌云.
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二 经典力学时空观
绝对空间: 空间与运动无关, 空间的度量 与惯性系无关,绝对不变．
绝对时间: 时间均匀流逝,与物质运动无 关,所有惯性系有统一的时间.
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对电磁现象的研究表明: 电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组 不服从伽利略变换.
真空中的光速
y
c c v?
·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。
若此，如在地球上测光速，可能 > c或< c ·19世纪末，很多精确的实验和观察(最著名
的是Michelson-Morley实验)都得出完全否定
的结果，在任何参考系中测得的光在真空中
的速率均为ｃ。