狭义相对论基础

第五章狭义相对论基础

内容：

1．经典力学的时空观；迈克耳逊–莫雷实验，长度收缩，时间延缓，同时的相对性，狭义相对论的时空观。质量与速度的关系；相对论动力学基本方程；相对论动量和能量。

2．狭义相对论的基本原理；

3．洛仑兹坐标变换式；

4．相对运动；

重点与难点：

1．经典力学的时空观

2．迈克耳逊–莫雷实验。

3．狭义相对论的基本原理；

3．质量与速度的关系；

4．相对论动量和能量。

5．相对论动力学基本方程

要求：

1．了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。

2．了解洛伦兹坐标变换。了解狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩和时间延缓。了解

伽利略的绝对时空观和爱因斯坦狭义相对论的时空观及其二者的差异。

3．理解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系。

相对论包括狭义相对论和广义相对论两部分内容．狭义相对论提出了新的时空观，建立了物体高速运动所遵循的规律，揭示了时间和空间、质量和能量的内在联系．广义相对论提出了新的引力理论，开始了有关引力本质的探索．本章仅介绍狭义相对论的运动学以及相对论动力学的主要结论．

§5-1 伽利略变换与力学相对性原理

为了理解相对论时空观的变革，首先回顾一下牛顿力学的时空观．

一、伽利略变换与绝对时空观

要描述某一个事件，应该说明事件发生的地点和时间．这就需要确定一个参考系，并在其中使用一定的尺和钟，用以确定事件发生的空间坐标和时间坐标，即用x、y、z来表示事件发生的空间位置，用t来表示事件发生的时刻．

设有分别固定在两个惯性参考系上的两个直角坐标系S和S'，如图5-1所示，相应的坐标轴相互平行，S'系相对于S系以恒定速度v沿x轴正方向运动．现在要讨论的问题是：如果在S系上的观测者测得某一事件P发生的位置和时刻分别为x、y、z和t，而在S'系上观测者测得同一事件P发生的位置和时刻分别为x'、y'、z'和t'，那么x、y、z、t 和x'、y'、z'、t'之间的关系如何呢？

图5-1

讨论这一问题时，两个观测者所使用的尺和钟应当完全相同．即把它们放在同一参考系的同一位置时，两把尺子的长度是相同的，两个钟的快慢也是相同的．为了讨论简单起见，令两坐标系的原点O 与O '重合的时刻为两个坐标系计时的起点，即这时0t t '==．

从图5-1分析，并把时间的量度也考虑进去，便可得到

x x vt y y z z t t '=-⎫⎪'=⎪⎬'=⎪⎪'=⎭

（5-1） 这组关系式称为伽利略时空变换式．

同样还可以得到

x x vt y y z z t t ''=+⎫⎪'=⎪⎬'=⎪⎪'=⎭

（5-2） 通常把（5-1）式称为正变换，把（5-2）式称为逆变换．此两式就是一个事件在两个相对运动的惯性系中测得的时空坐标的关系．

以u 和u '分别表示同一质点在S 和S '系中的速度，由（5-1）式的前三式对时间t 求导数，并考虑到t t '=，得到

d d d d d d d d d d d d x x v t t y y t t z z t t '⎫=-⎪'⎪'⎪=⎬'⎪'⎪=⎪'⎭

按速度的定义，即有

x x y y z z u u v u u u u ⎫'=-⎪⎪'=⎬⎪'=⎪⎭

（5-3）

或写成矢量式

'=-u u v （5-4）

（5-3）式和（5-4）式称为伽利略速度变换公式．

在导出伽利略变换时，已经隐含着牛顿的时空观．这种时空观认为，空间是一个与物质运动无关的、永恒不变的、固定不动的独立存在的框架，因此，长度测量是绝对的，与参考系无关；时间单向永远地流逝着，因此，时间间隔的量度也是绝对的，与参考系无关．时间、空间和物质客体三者是彼此独立、相互无关的．正是以绝对时空观为前提，事件P 发生的空间位置到O y z '''平面的距离，在S 系和S '系来量度，所得的量值是相等的，即x x vt '=-；由000t t '==，可以得到在S 系和S '系测量事件P 发生的时刻是相同的，即t t '=．由此可以推论：如果有两个事件在S 系看来同时发生，在S '系看来也必定同时发生．也就是说同时性是绝对的，与参考系无关．绝对时空观与日常生活经验是一致的，因而长期被人们认为是普遍正确的．伽利略变换就是绝对时空观的数学表述．

二、力学相对性原理

现在研究由S 系和S '系测量同一质点运动的加速度a 和a '的关系．由（5-4）式对时间求导数，考虑到t t '=，以及两惯性系之间的相对速度v 与时间无关，即得

d d d d t t

'='u u 即 '=a a

上式表明，同一质点的加速度在S 系和S '系测得的量是相同的．

在牛顿力学中，一个质点的质量是不因其运动而改变的，因此，在S 系和S '系测量同一质点的质量的量值m 和m '应相等，即m m '=．牛顿力学中的力只跟质点的相对位置或相对运动有关，也是和参考系无关的，因此，在两惯性系中测量同一力所得的F 和'F 是相同的，即'=F F ．综上所述，若对于S 系有m =F a ，则对于S '系必然有m '''=F a ．这表明经过伽利略变换，牛顿第二定律的形式不变．也就是说，力学规律在一切惯性系中都具有相同的形式．这个结论称为力学相对性原理．历史上，早在牛顿定律建立之前，伽利略就通过观察和实验，论证了力学规律在所有惯性系中都是相同的，亦即从力学的观点看来所有惯性系都是等价的．因此，力学相对性原理也称为伽利略相对性原理．

§5-2 狭义相对论的基本假设与洛仑兹变换

一、狭义相对论的基本假设

在物体低速运动的范围内，伽利略变换和力学相对性原理是符合实际的．然而，在19世纪下半叶，随着电磁理论的发展，电磁现象与经典力学理论产生了许多矛盾．特别是人们确认光就是电磁波，并证明了在真空中光沿各个方向传播的速度都相同．光速（用c 表示）是相对于哪个惯性系而言的呢？当时的物理学家普遍认为，光是在所谓光以太这种特殊介质中传播的．根据伽利略变换，相对于光以太运动的不同惯性系，光速是不同的．如果有一个惯性系S '相对于光以太沿光的传播方向以速度v 运动，那么，在S '系测得的光速应该为c c v '=-；如果有一个惯性系S ''相对于光以太沿光的传播相反的方向以速度v 运动，那么，在S ''系测得的光速应为c c v ''=+．由此看来，似乎可以通过测定光速的实验来发现物体（例如地球）相对光以太的速度．光以太本身就可以当作特殊的静止参考系，其他所有物体相对它运动．然而，人们在绝对静止的光以太这个观点的基础上，对大量实验和观察的结果进行讨论研究，出现了许多矛盾．力学相对性原理和伽利略变换遇到了不