15-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观18954
伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
同时不同地
2 Δx 0 Δt 0
同地不同时 ------不同时
第十一章 狭义相对论
25
物理 （工）
11-3
狭义相对论的时空观
讨论
v Δt 2 Δx c Δt ' 2 1
S系 S′系 3 Δx 0 Δt 0 ------同时 同时同地 4 Δx 0 Δt 0 ------不同时 不同时不同地 v t 2 x 时 ---同时 c
T
G M1 G
s
l l t1 cv cv
v
v2 Δ ct l 2 c
第十一章 狭义相对论
8
物理 （工）
11-1 M2 M1
伽利略变换 G M2
c 2 v2
经典力学的时空观 M2
s
T
G
v
c
-v
c
-v
G
c 2 v2
（从 s ' 系看）
GM 2 GM 1 l
s
y
o
y
vt
s'
y'
y'
v
x'
o'x
( x ' , y' , z ' )
z z
z'z'
x' x
3
第十一章 狭义相对论
物理 （工）
11-1
伽利略变换
经典力学的时空观
加速度变换
a ax x ay a y
az az
s
y
o
y
vt
s'
y'
y'
v
x'
1伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观重点
经典力学的成就和局限性
在上世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地 改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论 （1905）、广义相对论（1916）和量子力学（1925）。
概括地讲，牛顿力学在20世纪中受到了三次具有革 命性的严重挑战，这就是1905年爱因斯坦建立的狭义相 对论、1925年前后建立起来的量子力学和20世纪60年代 发现的混沌现象。这就向人们明确地揭示了牛顿力学局 限性之所在。
科学的语言必须准确！必须用物理规律
来表述。
应该用万有引力定律：即认为
下：指向地心。
B君
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
20世纪最伟大的物理学家, 于1905 年和1915年先后创立了狭义相对论和广 义相对论, 他于1905年提出了光量子假 设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学 奖, 他还在量子理论方面具有很多的重 要的贡献 .
第 狭义相对论力学基础
本章内容：4.1 力学相对性原理 伽利略坐标变换式 4.2 狭义相对论的两个基本假设 4.3 洛伦兹坐标变换式 4.4 狭义相对论的时空观 4.5 狭义相对论质点动力学简介
认识相对性：教育人们要脱离自我，客观地看问题。 A君
什么是上？下？ A君说：头朝上。 B君也说：头朝上。 但，A 君 看 B 君，大头朝下！
爱因斯坦的哲学观念：自然界应 当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于深奥.
1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速 度c追随一条光线运动，那么我就应当看到， 这样一条光线就好象在空间里振荡着而停 滞不前的电磁场。可是无论是依据经验， 还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这 样的事情。从一开始，在我直觉地看来就 很清楚，从这样一个观察者来判断，一切 都应当象一个相对于地球是静止的观察者 所看到的那样按照同样一些定律进行。)
15-1伽利略变换关系牛顿的绝对时空观1 共12页
S: Px, y, z,t
vt
o
z
o' z'
z z'
x'
x
(x', y', z')
x'
x
S : Px,y,z,t
时空坐标
S S'
正 变
变换公式
换
x'x v t xx'vt'
y ' y 逆 y y'
z' z 变
t' t 换
zz' S'S
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
教学基本要求
一 了解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原 理，以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式.
二 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的概念，了解牛顿力学的 时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异.
爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英 国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
牛顿力学 麦克斯韦电磁场理论 热力学与经典统计理论
19世纪后期，经典物理 学的三大理论体系使经 典物理学已趋于成熟。
两朵小乌云 迈克耳逊—莫雷“以太漂移”实验 黑体辐射实验
强调
狭义相对论 量子力学
近代物理学的两大 支柱，逐步建立了 新的物理理论。
15-1 伽利略变换关系 牛顿力学相对性原理遇到的的困难
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 第二版） （第二版）
难点
* 对狭义相对论的时空观的理解 * 运用洛仑兹变换求解运动学问题
学习方法
摆脱日常生活经验的束缚 从基本假设出发进行推理
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
试计算球被投出前后的瞬间， 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. 根据 根据伽利略变换 到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
v c
d
d t1 = c
v v v v c +v
d t 2 = c+v
t1 > t 2
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球 结果 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 观察者先看到投出后的球
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 第二版） （第二版）
第十五章 狭义相对论 教学基本要求 一.理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理， 理解爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理， 爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理 以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式； 以及在此基础上建立起来的洛伦兹变换式； 二.理解狭义相对论中同时的相对性，以及长度 理解狭义相对论中同时的相对性， 狭义相对论中同时的相对性 收缩和时间延缓的概念； 收缩和时间延缓的概念； 了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空 了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空 观以及二者的差异； 观以及二者的差异； 狭义相对论中质量、动量与速度的关系， 三.了解狭义相对论中质量、动量与速度的关系， 以及质量与能量间的关系. 以及质量与能量间的关系.
伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
三百年前，牛顿站在巨人的肩膀上，建立了动力学三 大定律。
这三大定律是构 成经典力学的理论基 础，是解决机械运动 问题的基本理论依据。
伊萨克·牛顿爵士 静静地躺在这里。 他以超人的智慧， 第一个证明了， 行星的运动和形状， 彗星的轨道和海洋的潮汐。 他孜孜不倦地研究 光线的各种不同的折射角， 颜色产生的种种性质。 对于自然，历史和圣经 他是一位勤勉，敏锐而忠实的诠释者。 他以自己的哲学证明了上帝的庄严， 并在他举止中表现了福音的淳朴 让人类欢呼吧， 曾经存在过这样一位 伟大的人类之光。
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
狭义相对论基础
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
引言： 什么是相对论？ 关于空间、时间和物质运动之间相互关系的现
代物理理论
自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明。 三百年前，牛顿建立了动力学三大定律。
这三大定律是构成 经典力学的理论基础， 是解决机械运动问题的 基本理论依据。
v
v
u
加速度
变换公式
ax
ax
du dt
ay ay
az az
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
a'z az
a a'
s y s' y'
y y'
vt
o
z z
o' z' z'
u
x'
x
P(x, y, z) * (x', y', z')
近代物理基础.
迈克耳孙—莫雷实验
三.经典力学时空观 伽利略变换的假设
力学相对性原理并不是以 绝对时空观为前提的.
①存在不受运动状态影响 的时钟——绝对时间
§2 迈克耳孙—莫雷实验 t t t t
一.问题的提出
•是否有一个与绝对空间相对 静止的参考系？
•如果有,如何判断它的存在?
任何事件所经历的时间在 不同参考系下都是不变的.
②空间任意两点间的距离 与参考系的选择无关.—— 绝对空间.
•显然力学原理不能找出这 个特殊的惯性系,那么电磁 学现象呢?
r' (x')2 (y')2 (z')2
r (x)2 (y)2 (z)2
9
在牛顿力学中,时间,长度,质 量都是伽利略变换不变量.
力学相对性原理并不是以 绝对时空观为前提的.
uuxy
ux uy
v
uz uz
x x vt
y y
z
z
或
t t
x x vt y y z z t t
——伽利略速度变换.
其矢量形式为: u= u + v
6
上式再对时间求导:
aaxy
ax ay
az az
其矢量形式为:
a = a
物体的加速度对伽利略 变换是不变的.
即牛顿定律对S系和S 系有相同的形式.
3
伽利略变换 牛顿的绝对时空观
第十五章.狭义相对论基础 考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
§1.伽利略变换 牛顿的绝对时空观
一.力学的相对性原理
牛顿运动定律适用一切 惯性参考系.
和S(Oxyz), 它们的对应坐
标轴相互平行, 且S系相对S 系以速度v沿Ox轴的正方向运 动.开始时,两惯性系重合.
4-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
4 - 2 狭义相对论的基本原理
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .
伽利略相对性原理
S
S
F F
m
m
a a
F ma F ma
牛顿力学中：
相互作用是客观的，力与参考系无关。 质量的测量与运动无关。 据伽利略变换
a a
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同
或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变
A B
cv
c
l = 5000 光年
A 点光线到达 地球所需时间
l tA cv
B 点光线到达 tB 地球所需时间
l c
理论计算观察到超新性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 1500km/s
u
P
ut x o o
Z
Z
x
x
速度变换
dr v dt dr v dt
v v x u a a du a a x x x x x dt a a y 正 v v y y y ay a y u 常量 vz vz a az a a z z z
s
y' y
z' z
z
o
z'
o'
x' x
ux t 2 t ' c (t u2 x) 2 c 1
伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
18
物理学
第五t版 第五 版
1414-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 四 . 力学相对性原理与伽利略变换相协调 要求力学定律在 是否协调 给出不同惯性 系中对运动描 一切惯性系中数 述的关联 ？ 学形式相同 由伽利略速度变换 得加速度变换： 得加速度变换：
v′ ′ = v x − u x v ′y ′ = v y v ′′ = v z z
实验结果与 理论不符
黑体辐射的“紫外灾难” 2. 黑体辐射的“紫外灾难” 三大发现： 三大发现： 电子：1894年 英国， 1. 电子：1894年，英国，汤姆孙 因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖 因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖 1906 2.X射线：1895年 德国， 2.X射线：1895年，德国，伦琴 射线 1901年获第一个诺贝尔物理奖 1901年获第一个诺贝尔物理奖 3.放射性：1896年 法国，贝克勒尔发现铀， 3.放射性：1896年，法国，贝克勒尔发现铀，居里 放射性 夫妇发现钋和镭，共同获得1903 1903年诺贝尔物理奖 夫妇发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理奖 物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。 物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。
第十四章 相对论
17
物理学
1414-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
第五t版 第五 版
绝对空间就其本质而言， 绝对空间就其本质而言，是与任何外界事物 无关的，而且是永远相同和不动的。 无关的，而且是永远相同和不动的。 —— 牛顿 空间先于运动存在， 空间先于运动存在，是盛放物质的容器和物质 运动的舞台。 运动的舞台。 3.绝对时空观 绝对时空观 • 时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关。 时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关。 先验框架 • 时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。 时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。
伽利略变换关系牛顿力学相性原理遇到的的困难x
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
伽利略速度变换
ux u x v u u v uy u y u u z z
加速度变换
ax a x ay a y a a z z
a a
两个参考系对称性
F ma'
F ma
对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有相 同的形式 . 这就是经典(牛顿)力学的相对性原理 . 在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的 .
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
“相对论的 兴起是由于实际
需要，是由于旧
理论中的矛盾非
ห้องสมุดไป่ตู้
常严重和深刻，
而看来旧理论对 这些矛盾已经没 法避免了。” ——爱因斯坦
第十五章 狭义 相对论
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
15 – 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
物理学教程 （第二版）
伽利略坐标变换
x x vt y y 正变换 z z t t x x vt y y 逆变换 z z t t
s y s' y '
c
d
d t1 c
v cv
d t2 cv
t1 t 2
结果:观察者先看到投出后的球,后看到投出前的球?
第十五章 狭义 相对论
1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
c+v
c
l = 5000 光年
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
A 点光线到达 地球所需时间
l tA = c+v
B 点光线到达 tB 地球所需时间
l = c
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 ? 个月, 物质飞散速度 v = 1500 km/s A B
a' y = a y
a = a' F = ma 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. 系中，牛顿运动定律具有相同的形式
a'z = az
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
科学家的思索: 科学家的思索 对于不同的惯性系， 对于不同的惯性系，光速满足伽利略变换吗 ？ 真空中的光速 c =
s y s' y ' v
o
z
y
o' z'
1 2
x' x
s s' y '
v
z
o
′ ∆t 21 = ∆t 21
o' z'
x' x
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
伽利略速度变换公式
u'x = ux − v u' y = u y
u'z = u z
加速度变换公式
s
y
vt
s'
o' z'
y'
v
o
z
x' x
1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？ 真空中的光速
c
1
0 0
2.998 108 m/s
对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满 足伽利略变换吗 ？
s
o
y
s'
o' z'
y'
v c
c ' c v?
伽利略变换式
牛顿的绝对时空观
相对论
蟹状星云还是强红外源、紫外源、X射线源和 γ射线源。它的总辐射光度的量级比太阳强几万 倍。1968年发现该星云中的射电脉冲星，它的脉 冲周期是0.0331秒,为已知脉冲星中周期最短的一 个。目前已公认，脉冲星是快速自旋的中子星,有 极强的磁性,是超新星爆发时形成的坍缩致密星。 蟹状星云脉冲星的质量约为一个太阳质量，其发 光气体的质量也约达一个太阳质量，可见该星云 爆发前是质量比太阳大若干倍的大天体。星云距 离约6300光年，星云大小约12光年×7光年。
s'
y'
当
t t' 0
时
y'
v
x'
x
o 与 o'重合
位置坐标变换公式
vt
o' z' z'
P( x, y, z) * ( x ', y ', z ')
x' x vt
z z
x' x
z' z
t' t
y' y
经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与 参考系无关 .
15-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
z' z
y' y
t't x ' x vt
x z z 时间的测量是绝对的 若沿 x 轴放一细棒,求 S和 S 系中的长度
o
vt
o' z' z'
1
x' 2
( x, y , z , t ) P* ( x ', y ', z ', t )
x' x
, x2 ), S ( x1 , x2 ) 棒两端的坐标为: S ( x1
c' c v?
伽利略变换 相对性原理 电磁规律
不和谐
15-1
伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
第十五章
相对论
试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
c
A
d
d t1 c B
v c v
A
d t 2 cv
t1 t 2
B
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
x
x' x
伽利略相 对性原理
质点的速度与惯性系有关 3. 加速度变换公式
a'x a x
a' y a y
F ma
a a'
F ma '
a'z az
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.
15-1
伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
引言
19世纪末，以牛顿力学（经典力学）、麦克斯韦电 磁场理论（经典电动力学）为代表的经典物理学发展到 了相当完善的程度，在实际应用中取得了空前的成功。 1900年著名的英国物理学家开尔文，这样展望着 二十世纪的物理学：“在物理学晴朗天空的远处，还 有两朵令人不安的乌云 ”。 迈克尔孙莫雷实验 建立了狭义相对论 黑体辐射 实验 建立了量子力学
第一节牛顿绝对的时空观
第一节牛顿绝对的时空观1687年，《自然哲学的数学原理》一书在英国问世，牛顿在这一经典力学的奠基之作中指出，自然界的一切物体间都存在着万有引力作用。
果园里的苹果落地和月球绕地球旋转，两者是一回事。
牛顿还用万有引力定律成功解释了自转天体必然呈赤道鼓起的扁球形体，并解释了地球岁差和潮汐现象的成因。
1705年，哈雷应用万有引力定律精确计算出历史上的24颗彗星的轨道参数，并成功预测了1758年哈雷彗星的回归，从而使万有引力定律在欧洲学术界得到了广泛的承认。
1834年，德国的贝塞尔发现天狼星的自行是一条波浪形曲线，六年后又发现南河三也有同样的现象，于是，贝塞尔根据万有引力效应预言：天狼星和南河三存在着很难察觉的暗伴星。
1862年和1892年，这两颗预测中的星体分别被克拉克和舍伯尔所发现。
在太阳系，天文学家们运用牛顿的万有引力定律，在预定的轨道先后找到了天王星（1781年）、海王星（1846年），人们称这些行星为笔尖上发现的星体。
进入十九世纪，牛顿的经典力学取得了辉煌的成就，古老的空间观念已被打破，人们再也不必担心地球另一侧的海水会流向空中，一个经典的、绝对的时空观在物理学的框架中建立起来。
经典力学的一个显著特征是，把空间和时间都看作是同物质一样独立的客观实在，物质运动都是相对绝对空间而言的。
牛顿说：“绝对空间，在其本质上与外界的任何东西都无关，永远保持其为等同的而且不动的。
”而时间则是独立于外界事物不断流逝的长河，物体的运动是在绝对空间中的位置移动。
牛顿曾经用水桶实验对绝对空间的存在作过如下论证：我们使一个盛有水的水桶旋转。
当桶已旋转而水还未动时，水面依然与静止时相同，是一个平面；但到最后水随桶一起旋转时，水面就呈现出一个凹型曲面。
这个实验表明：当水静止时，不管它是否与水桶有相对运动，水面都是平的；而当水旋转时，不管它是否与水桶相对静止，水面都是凹型曲面。
由此看来，根据水面的平或曲，可以判定水对绝对空间是静止的还是旋转的。
14-1,2 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
三、牛顿定律具有伽利略变换不变性
惯性系S 惯性系S' 在牛顿力学中
F m a F m a
F F
F ma F ma
m m
因此牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能 守恒定律等）在伽利略变换下形式不变。
理学院 物理系
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
一、力学相对性原理
在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动
所遵循的力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学
表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的.
结论：在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯
性系是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确
切知道某一惯性系本身是否“绝对静止”，则用
显然，绝对时空观符合人们日常的经验和习惯。
理学院 物理系
大学物理
§14-2 迈克尔逊-莫雷实验
Michelson-Morley Experiment
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
绝对参考系中光速各向同性——
c
沿运动方向 —— c u 运动参考系
c u
2
2
垂直运动方向——
c u
2
则 r r
理学院 物理系
z2 z1 z z1 2
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
3、经典力学的绝对时空观
在狭义相对论建立之前，科学家们普遍认为：时 间和空间都是绝对的，与物质运动无关，并且时间与 空间二者相互独立而存在。 牛顿说：“绝对的、真正的和数学的时间自己流 逝着，并由于它的本性而均匀地与任一外界对象无关 地流逝着。” “绝对空间就其本质而言，是与外界任何事物无关、 而永是相同的和不动的。” ——绝对时空观
相对论基础
伽利略速度变换 对伽利略坐标变换对时间求一阶导数 u′ = ux − v x 其矢量形式为: 其矢量形式为 u′ = uy y —伽利略速度变换 伽利略速度变换. 伽利略速度变换 u′= u + v
z u′ = uz
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结束
上式再对时间求导: 上式再对时间求导
a′ = ax x a′ = ay y a′ = a z z
ct2 2
M2 ´ L G´
M2 ´ ´
2L v2 c 1− 2 c
G´´
两束光的时间差为: 两束光的时间差为
v2 −1 v2 −1/ 2 2L ∆t = t1 − t2 = 1− 2 − 1 − 2 c c c 2L v2 v2 = 1+ c2 +L − 1+ 2c2 +L c
伽利略位置坐标变换 t=0时，两者重合 时 两者重合. S′相对 系以 沿x轴运动 相对S系以 系以v沿 轴 在两坐标系中的关系: 点P在两坐标系中的关系 在两坐标系中的关系
x′ = x − vt y′ = y z′ = z
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y S y
y′ S′ y′
v
x
vt
O z′ z′
电磁波(光 传播的媒质是以太 以太静止在绝对空间. 传播的媒质是以太,以太静止在绝对空间 电磁波 光)传播的媒质是以太 以太静止在绝对空间
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光相对以太的传播速度为c, 光相对以太的传播速度为 若有其它惯性系相对 绝对空间运动,则相对此惯性系的速度将不是 则相对此惯性系的速度将不是c. 绝对空间运动 则相对此惯性系的速度将不是 寻找以太成为判断绝对参考系存在的关健. 寻找以太成为判断绝对参考系存在的关健
牛顿的时空观
牛顿的时空观Newton的绝对时空概念，只是Newton对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出.其中‘数学’二字表明Newton怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象.Newton的相对时空概念，是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分.牛顿认为：“相对空间是绝对空间的可移动部分或量度，我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待.如相对于地球而言的地下，大气，或天体等空间就都是这样来确定的.”可见，牛顿的相对空间概念与我们今天的相对空间概念，没有什么不同.牛顿清醒地认识到，我们周围的空间都是相对空间.牛顿还深刻地认识到，相对空间是表观的，在表观的相对空间的背后或内部，隐藏着真正的空间，这就是绝对空间.从Newton力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念.物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的“不动”；物体的匀速运动，就要求空间“平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏.反过来，只有相对时间和空间概念才能保证Newton力学规律的有效性和可操作性.在Newton的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以.在Newton力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体.Newton完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.Newton承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事.不过，Newton是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念.他认为，物理的实在必须是能被感知的.那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?Newton 设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动.这就是著名的水桶实验，见前面的文章——运动的绝对性与相对性.绝对空间在哪里？Newton曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方.他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间.从现今的观点来看，Newton的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心.不过，Newton当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来.Einstein认为，Newton引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”.爱因斯坦看到牛顿力学是建立在绝对空间概念基础上的，空间（也含时间）在牛顿力学那里起着双重的作用，“首先，它们起着物理学中所出现的事件的载体或者构架的作用，事件是参照这种载体或构架用空间坐标和时间来描述的.原则上，物质被看作是由‘质点’所组成的，质点的运动构成了物理事件.……空间的第二个作用是作为一种“惯性系”.此惯性系之所以被认为比一切可想象的参照系都优越，就是因为对它们来说，惯性定律必定是成立的.牛顿完全清楚地认识到，在他的体系中，空间和时间正如同质点一样是实在的东西.因为如果人们除了物体之外，不承认空间和时间也是实在的东西，那么惯性定律和加速度概念就完全失去了意义.‘加速’只不过是意味着相对于空间的加速.牛顿物理学的特征在于它不得不认为空间和时间象物质一样，都是独立而实在的存在，这是因为在牛顿运动定律中出现了加速度的观念.但是，在这理论中，加速度只能指‘对于空间的加速度’，为了使人们能把那个出现在运动定律中的加速度，看作一个具有任何意义的量，牛顿的空间因而必须被认为是静止的，或者至少是‘非加速’的.对于时间也差不多一样，时间当然也同样进入加速度概念里.说一定要认为空间本身和它的运动状态都同样具有物理实在性，对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的；但是，如果人们要想给力学以清晰的意义，在当时都没有别的办法.当牛顿说空间是绝对的时候，他无疑是指空间的这种实在的意义，这使他必须把一种完全确定的运动状态加给空间，而这种运动状态看来是不能由力学现象完全确定下来的.”当代的物理教科书在讲Newton力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念.据考证，这想法是德国物理学家朗格（nge）提出的.在Newton力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的.若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立.我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质.用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了Newton力学的困难，但是并没有真正解决问题.这样，在Newton力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它Newton力学定律成立；在非惯性参考系内，Newton三定律不成立.在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的.在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象.在普利高津看来，在近代科学的经典．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．——．．牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数，是反演对称的，把．．-．t．有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． t．换为别．.．用时间的纯粹性很容易解释这一点：在牛顿力学中，物理定律是客观的，时间是纯粹的，纯粹的时间与客观的物理定律不发生直接的关系，既然如此，用-t替换t当然不会改变物理定律的形式.我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进.也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移.这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角.称为恒星的视差.恒星的视差很小，只有零点几个角秒.一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着.这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动.因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关.同一个物体越远看起来就越小.如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系.其实.天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系.同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间.同样地，时间的精度也在不断地提高.第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒.在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下.但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次.相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位.美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平.如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达1014的光学振动相比，原子的10９振动频率差了5个数量级.而伽玛射线的上限频率目前还未发现.我们以后得到的时间精度会更高.20世纪初相对论问世后，对牛顿时空观的批判纷至沓来，人们重新把牛顿的绝对时空观与同时代的莱布尼兹的观点比较（与牛顿同时代的莱布尼兹反对牛顿将时空观视为独立于物质和运动的绝对的东西.他甚至颇有远见的指出：“没有什么空间是没有物质的，以及空间本身不是一种绝对实在.空间和物质的区别就像时间和运动的区别一样.可是，这些东西虽有区别，却是不可分离的.”），激烈的抨击牛顿的时空观，说：“牛顿的时空观是一种典型的形而上学的时空观，……莱布尼兹……对他的批判充满了辩证法的精神.”。
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19世纪末，以牛顿力学（经典力学）、麦克斯韦电 磁场理论（经典电动力学）为代表的经典物理学发展到 了相当完善的程度，在实际应用中取得了空前的成功。
1900年著名的英国物理学家开尔文，这样展望着 二十世纪的物理学：“在物理学晴朗天空的远处，还 有两朵令人不安的乌云 ”。
1 x' 2
x'
x
x
t't
时间的测量是绝对的
伽利略相 对性原理
x' x vt 若沿 x轴放一细棒,求S和 S系中的长度
y' y
z' z
棒两端的坐标为: S(x1, x2 ), S (x1, x2 )
x1 x1 vt, x2 x2 vt
细棒长度: x2 x1 x2 x1 空间的测量是绝对的
迈克尔孙-莫 雷实验
黑体辐射 实验
建立了狭义相对论
建立了量子力学
相对论和量子论是现代科学的两大基石，没有它们， 就没有今天的文明。
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
迈克尔孙—莫雷实验（1881–1887） 当时认为光在“以太”中以速度c 传播
。 设“以太”相对太阳静止。
“还在学生时代，我就在想这个问题了。我 知道迈克尔孙实验的奇怪结果。我很快得出结 论：如果我们承认迈克尔孙的零结果是事实， 那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这 是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
x
3. 加速度变换公式
a'x ax a'y ay
F
a
ma
a'v
F
伽利略相 对性原理
mav'
在两相互作匀速直线运动的惯性
a'z az 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
二 经典力学的基本观点 (1) 经典力学的绝对时空观 时间量度 空间量度 均与惯性系无关
地球公转
B
u
L2
c2 u2
S u
干涉条纹
实验目的：干涉仪 转90°，观测干涉条纹是 否移动？
预算条纹移动0.4条
实验结果：条纹无移 动(零结果)。以太不存在 ，光速与参考系无关。
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
爱因斯坦对迈克尔孙－莫雷实验的评价：
（2）力学相对性原理 : 对于不同的惯性系，牛顿定
律具有相同的形式。
在S系中：
r F
mar
在S´系中：
r F
mar
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
三 新的问题
1865年麦克斯韦建立了完整的电磁理论，其重要
推论是存在电磁波。 对于不同的惯性系，电磁
规律的形式是一样的吗 ？
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
2. 伽利略速度变换公式
u'x ux
u'y uy
v
ur
=
ur
-
vr
u'z uz
质点的速度与惯性系有关
y y'
s s' v
vt
x'
o
z z
o' z'
x
z'
P(x, y, z,t)
* (x ', y ', z ',t)
x'
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 美籍德国物理学家 主要贡献：
1）1905年，创立狭义相对论、提出光 量子创设；
2）1915年，建立广义相对论；
1921年获得诺贝尔物理学奖
爱因斯坦的哲学观念：自然 界应当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于深 奥.
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
一、伽利略变换式 经典力学的相对性原理
1. 伽利略时空坐标变换式
两惯性系 S, S
当 t t' 0 时,o 与 o重' 合
质点在某时刻运动到P点
y y'
s s' o
zz
vt o' z'z'
v P*(x(x',,yy',,zz',,tt))
15-1伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难 第15章狭义相对论
教学要求
1.了解狭义相对论的产生背景，理解其基本原理，理 解经典力学时空观和狭义相对论时空观及二者的关系. 2.掌握洛仑兹变换，理解同时的相对性、长度收缩、 时间膨胀的概念,并能用以分析计算有关的简单问题. 3.理解质量和能量的关系.
真空中的电磁波(光)波速
c 1 2.998 108 m/s
00
对于不同的惯性系, 光速
y
s
s'
y'
v
c
o o'
x'
x
z z'
c ' c v? 演示
满足伽利略变换吗 ？
根据伽利略变换，电磁规 律不满足相对性原理。
伽利略变换
相对性原理 不和谐 电磁规律