狭义相对论的实验基础精品PPT课件
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第十八章狭义相对论基础精品PPT课件
v e
运动有关，从e点发出的光的
光速为 Cv
Cv Cv
从f点发出的光的光速为 Cv
因星星离我们很远，就可能 出现当从e点发出的光到达地
球时，f点发出的光也赶到地
球，这样我们就可以同时在空
因为这意味着经典物理学出了问题，意味着什 么绝对时间、绝对空间、伽利略变换等等都是胡 言乱语。就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的 天空。
一部分人感到沮丧，我们顶礼模拜的牛顿 定律尽然不灵了，这…岂不是科学的毁灭吗!
有一部分人不相信实验的真实性，继续改进实验
设备作实验。实验精度越来越高，能作实验的人
第十八章 狭义相对论基础
历史背景
19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了 很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子 物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的 内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切 电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、 电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与 守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成 绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头 了。
“在已经基本建成的科学大厦中， 后辈的物理学家只要做一些零碎 的修补工作就行了。”
--开尔文--
也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后 一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据 的小数点后面在加几位罢了！
但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的 科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有 两朵令人不安的乌云，----”
这两朵乌云是指什么呢？
热辐射实验
迈克尔逊莫雷实验
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展为一 埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇 灌着两朵鲜花。
相对论问世
狭义相对论的基本原理PPT课件
个光信号。 经一段时间，光传到 P点。
我们可以把光到达P点看作一个事件。而事件是在一 定的空间和时间中发生的，可以用时空坐标来表示。
S P x,y,z,t 寻找 对同一客观事件，两
个参照系中相应的坐
S P x ,y,z,t
标值之间的关系。
.
4
1.洛仑兹坐标变换 •由光速不变原理：
x2y2z2c2t2 (1 )
S S u
P
xx O O’ ’
x 2y 2 z2 c2 t2(2 )
站在S和S/的人都认为自 己是静止不动的，而且
•由发展的观点：
光速也不变的。
u<<c 情况下，狭义 牛顿力学 yy zz
•由于客观事实是确定的：
x,y,z,t对应唯一的 x,y,z,t
下面的任务是，根据
设： x xt (3 )上述四式，利用比较
例2、设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行， 如果 这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速 度为0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？
解： 选飞船参照系为S’系。 地面参照系为S系。
S S’ u
u0.80 c vx 0.90c
X(X’)
由洛仑兹速度变换关系可得：
vx
vx u
1
u c2
v x
0.90c0.80c 10.800.90
0.99c
.
13
下面我们来考察空间中的两个不同事件。
3.两个事件的时空关系
对于不同的两个事件：
S
事件1
(x1 , t1 )
事件2
x2,t2
S
x1 ,t1
x2 ,t2
两事件时间间隔 t t2t1 tt2 t1
物理第六章狭义相对论基础PPT课件
第18页/共51页
洛仑兹坐标变换式
正变换
逆变换
x
x ut
1
u2 c2
y y
z z
t
t
u c2
x
2
1 u2 c 第19页/共51页
x x' ut '
1
u2 c2
y y
z z
t
t'
u c2
x'
1
u2 c2
令 u
c
正变换
1 1 2
逆变换
x x ut x x ut
y y
第2页/共51页
v ' a'
正变换：
把S′系的各量用S系的各量表示。
y
y’
u
P(x, y, z, t)
ut o
o’ z
z’
坐标变换
x' x ut y' y z' z t' t
x’
x’
x x
速度变换
加速度变换
vx vx u
vy vy
a' a
vz vz
——伽利略变换式
第3页/共51页
o
x1
第14页/共x251页 x
l x2 x1 ut
Δt是B′、A′相继通过 x1这两个事件之间的固有时。
l和l ' 之间有什么关系呢？
在S′系，棒静止，由于S系向左运动，x1这一点相继经过B′和A′端。
y
u
o
y
u
o o′ y′
o′
y′
A’
A′ x1
x1经过A′和B′两事件之间的时间间隔，在S’ 系中测量为：
狭义相对论实验基础PPT模板
68%
饱和吸收效应
3.2.3穆斯堡尔效应实验
44%
3.2.2原子核俘获反应
21%
中的γ射线发射
3.2.1氢的极隧射线
实验
15%
（一）穆斯堡尔效应对温度的依赖性 （二）横向二阶多普勒移动
第三章时间膨胀效应
§3.3飞行介子的寿命增长
3.3.1宇宙线中的μ 介子
3.3.2测量宇宙线μ 介子寿命
3.3.3测量加速器产 生的介子的寿命
第一章狭 义相对论 基础
§1.2迴路光速不变的狭义相对论
05
第二章光速不变原 理实验
§2.1光速不变性实验
2.1.1闭合光路实验 （一）迈克尔逊-莫雷型实验
（二）迴路干涉仪实验 （三）Kennedy-Thorndike实验 2.1.2“单向”光路实验
（一）两梅塞实验 （二）转动圆盘的穆斯堡尔效应实验 （三）两莱塞实验
狭义相对论实验基础
演讲人 202X-11-11
01
序
序
02
前言
前言
03
目录
目录
04
第一章狭义相对论 基础
§1.1爱因斯 坦狭义相对
论
1.1.1狭义相对论的主要内容 （一）无穷小洛伦兹变换
（二）爱因斯坦速度相加定律 （三）长度收缩 （四）时间膨胀（延缓） （五）多普勒频移效应 （六）相对论力学 （七）光子的静质量 1.1.2狭义相对论实验的主要类型
4.3.2横向“牵引” 实验
4.3.3环路莱塞实验
08
第五章相对论力学 实验
第五章相对论力学实验
• §5.1质量对速度的依赖关系 • 5.1.1荷电粒子的磁偏转 • 5.1.2静电磁偏转法 • 5.1.3迴旋加速器的运转 • 5.1.4其他实验 • 5.1.5测量飞行时间 • 5.1.6弹性碰撞 • 5.1.7原子光谱的精细结构 • 5.1.8小结 • §5.2质能关系
第3章 狭义相对论_PPT课件
相对性原理
物理规律对所有惯性系都是 一样的，不存在任何一个特 殊的（例如“绝对静止”的） 惯性系。
伽利略坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
位置坐标变换公式
s y s' y'
y y ' u
ut
x'
o
z z1
o'
z' z'
x
*
P(x, y, z,t) (x', y', z',t)
x' x
x'xut
y' y
1
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。
牛顿: Newton
爱因斯坦: Einstein
绝对时空观 伽利略变换 1
现代时空观 洛伦兹变换
经典力学的相对性原理
(对于不同的惯性系，对于运动 的描述是相对的，但是力学的 基本定律---牛顿定律，其形式 都是一样的。）
爱因斯坦相对性原理、光速不变
一、 狭义相对论的两条基本原理
1.相对性原理
1
物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何 一个特殊的（例如“绝对静止”的）惯性系。 2.光速不变原理
在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与 光源的运动状态无关。
洛伦兹坐标变换
tt'0
o 与 o' 重合
x' xut (xut) 12
a
a
du
dt
若u＝常矢量
S 系中：
Fma
FFm mS 系中：S系中1： F m a
第12章狭义相对论基础PPT课件
狭义相对论仅限于讨论在各惯性系内的观察者对 物理现象的测量结果。它揭示了作为物质存在形式的 空间和时间在本质上的统一性。
1
（2）广义相对论
广义相对论讨论任意运动着的非惯性系中的观 察者对物理现象的观测结果。它进一步揭示了时间、 空间与物质的统一性，指出了时间与空间不可能离 开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质 的分布。
§12-1 经典力学的时空观（复习）
物理规律需要选用一定的参照系才能表述出来。在 经典力学中，根据实践经验引入了惯性参照系。凡是 牛顿运动定律成立的参照系就称为惯性参照系，而牛 顿运动定律不成立的参照系称之为非惯性参照系。
要决定一个参照系是否为惯性参照系只能依靠观察
和实验。
2
设 定v 系 s u 为 惯v 性`,a 参 照a 系`，
在牛顿力学里，质点的质 量和运动的速度没有关系， 力只与质点的相对运动有
s t
y o
r
o`
y`
s`
r
`pau0常0矢
r0 t` x x`
关 取F 无 ` 关; m 。 m ` ， F m a z 则 ` m ` a ` F ` 。
即，牛顿运动定律在s系与s`系均成立。因此，在 某一个惯性参照系的内部，我们用任何力学实验都不 可能测出本系统相对于其他惯性系的匀速直线运动的 速度。
3
由此可得出结论： （经典力学的相对性原理）
“相对一个惯性参照系作匀速直线运动的一切参 照系也都是惯性参照系”。或者说，“在相互作匀速 直线运动的一切惯性系中，物体所遵从的力学规律完 全相同。”
二、伽利略坐标变换
我们要描述某一个事件，应该说出事件发生的地点 和时间。这就需要用四个量来描述，既用x、y、z来描 述事件发生的位置，用t来描述事件发生的时刻。
1
（2）广义相对论
广义相对论讨论任意运动着的非惯性系中的观 察者对物理现象的观测结果。它进一步揭示了时间、 空间与物质的统一性，指出了时间与空间不可能离 开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质 的分布。
§12-1 经典力学的时空观（复习）
物理规律需要选用一定的参照系才能表述出来。在 经典力学中，根据实践经验引入了惯性参照系。凡是 牛顿运动定律成立的参照系就称为惯性参照系，而牛 顿运动定律不成立的参照系称之为非惯性参照系。
要决定一个参照系是否为惯性参照系只能依靠观察
和实验。
2
设 定v 系 s u 为 惯v 性`,a 参 照a 系`，
在牛顿力学里，质点的质 量和运动的速度没有关系， 力只与质点的相对运动有
s t
y o
r
o`
y`
s`
r
`pau0常0矢
r0 t` x x`
关 取F 无 ` 关; m 。 m ` ， F m a z 则 ` m ` a ` F ` 。
即，牛顿运动定律在s系与s`系均成立。因此，在 某一个惯性参照系的内部，我们用任何力学实验都不 可能测出本系统相对于其他惯性系的匀速直线运动的 速度。
3
由此可得出结论： （经典力学的相对性原理）
“相对一个惯性参照系作匀速直线运动的一切参 照系也都是惯性参照系”。或者说，“在相互作匀速 直线运动的一切惯性系中，物体所遵从的力学规律完 全相同。”
二、伽利略坐标变换
我们要描述某一个事件，应该说出事件发生的地点 和时间。这就需要用四个量来描述，既用x、y、z来描 述事件发生的位置，用t来描述事件发生的时刻。
狭义相对论基础PPT课件
现代物理学讲座
狭义相对论基础
狭义相对论基础
special relativity 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹(时空和速度)变换 相对论性质量 相对论性动量和能量
数学上很 容易，观 念上不易 理解
Galileo
Newton
Maxwell
Lord Kelvin (William Thomson)(1824-1907)
即
m
d
u m
d
(u v)
dt
dt
m
d
u
dt
F m d dt2r2 , F md d2r2 t
FF
这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基 本方程保持形式不变。
如：动量守恒定律
Sm 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
二、Albert Einstein 的选择
由牛顿时空观出发，已知在伽利略变换下，一 切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式，但电 磁学却不服从伽利略相对性原理。
从逻辑上说，对同一种变换，力学规律有相同的 形式，而电磁学规律的形式却不相同，这是不可思 义的。这个矛盾的存在有两种可能性：一种可能性 是Maxwell给出的电磁学理论并不正确，而Galilean transformation是正确的；另一种可能性是Maxwell theory 是正确的，但力学规律在高速（v→c）情况 下并不正确，Galilean transformation在高速情况 下，也不正确，应存在一种新的变换，
Albert Einstein所建立的相对论，就是在下列 思想基础之上的，即时空具有更深刻地均匀性， 自然定律在时空的四维“空间”的一组变换 Lorentz transformation下是不变的，时空中的旋 转和平移是这类变换的特殊情形。
狭义相对论基础
狭义相对论基础
special relativity 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹(时空和速度)变换 相对论性质量 相对论性动量和能量
数学上很 容易，观 念上不易 理解
Galileo
Newton
Maxwell
Lord Kelvin (William Thomson)(1824-1907)
即
m
d
u m
d
(u v)
dt
dt
m
d
u
dt
F m d dt2r2 , F md d2r2 t
FF
这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基 本方程保持形式不变。
如：动量守恒定律
Sm 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
二、Albert Einstein 的选择
由牛顿时空观出发，已知在伽利略变换下，一 切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式，但电 磁学却不服从伽利略相对性原理。
从逻辑上说，对同一种变换，力学规律有相同的 形式，而电磁学规律的形式却不相同，这是不可思 义的。这个矛盾的存在有两种可能性：一种可能性 是Maxwell给出的电磁学理论并不正确，而Galilean transformation是正确的；另一种可能性是Maxwell theory 是正确的，但力学规律在高速（v→c）情况 下并不正确，Galilean transformation在高速情况 下，也不正确，应存在一种新的变换，
Albert Einstein所建立的相对论，就是在下列 思想基础之上的，即时空具有更深刻地均匀性， 自然定律在时空的四维“空间”的一组变换 Lorentz transformation下是不变的，时空中的旋 转和平移是这类变换的特殊情形。
第一章狭义相对论基础精品PPT课件
电磁波(光)传播的媒质是 以太,以太静止在绝对空间.
§2 迈克耳孙—莫雷实验
一.问题的提出
光相对以太的传播速度为c, 若有其它惯性系相对绝对空
•是否有一个与绝对空间相对 间运动,则相对此惯性系的
静止的参考系？
速度将不是c.
•如果有,如何判断它的存在?
•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?
y y S S
两者重合.
说,都遵从同样的规律;或者
y y
说,在研究力学规律时,一切 惯性系都是等价的.——力 学相对性原理.
二.伽利略变换式
v
vt
O O
•P
x
x
z z
x x
力学相对性原理的数学表述. z z
考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
S相对S系以v沿x轴运动 和S(Oxyz), 它们的对应坐
点P在两坐标系中的关系为: 标轴相互平行, 且S系相对
换言之,绝对静止的参考 系是不存在的.
§3.狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
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
上式再对时间求导:
a a
x y
a a
x y
a z a z
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.
x x vt
y
y
z z
S系以速度沿Ox轴的正方向 运动.开始时,两惯性系重合.
伽利略位置坐标变换 t=0时，
狭义相对论力学基础课件
一个参照系可以校准所有的时钟，有统一时间基准。
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27
三. 洛仑兹变换蕴含的时空观(一)
1. 由洛仑兹变换看同时性的相对性
事件1 事件2
S
(x1,t1)
(x2 ,t2 )
两事件同时发生 t1 t2
tt2 t10
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S
( x1, t1 ) (x2 , t2 )
t t2 t1
S S
u
A M B
研究的问题
两事件发生的时间间隔
S ？
S
M 发出的闪光 光速为c
M
S？
AMBM A B 同时接收到光信号
事件1、事件2 同时发生
狭义相对论力学基础课件
33
S系中的观察者又
如何看呢？
S S
u
M 处闪光 光速也为 c
A B 随 S 运动
A M B
A 迎着光 比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生 事件1先发生 M
发生在x’=－ut’处，
即 x’+ut’=0。
yS
y
S
u
x
o o
x
说明该事件的两观测值x与（ x’+ut’）必成比率， 即 x=k(x’+ut’) 。
同样地，对于在S’系中O’点于t’时刻发生的事件， 其x’=0。但在S系中观察为该事件发生在x=ut处，
即 x－ut=0 。
说明该事件的两观测值x’与（ x－ut）必成比率， 即有 x’=k’(x－ut) 。
在两个惯性系中考察同一物理事件
设惯性系S 和相对S运动的惯性系S’
t时刻，物体到达P点
O,O 重合时，t t 0计时开始。
狭义相对论基础 ppt课件
x2 y2 z2 x2 y2 z2
长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系的选择 无关。物体的广延性不受其运动状态的影响。
表明：绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响， 总是保持不变并且不可移动。
ppt课件
17
3. 伽利略变换
当 t t 0时 o 与 o重合
坐标变换式
s y s' y'
2） 时空不独立，t 和 x 变换相互交叉。
3） u c 时，洛伦兹变换
伽利略变换。
洛仑兹 变换
x x ut
y y z z
t t x
c
0 1
退化
ppt课件
x x ut y y z z t t
伽利略 变换
40
导出洛伦兹变换后，狭义相对性原理可以表述为： 表示物理定律的方程式在洛伦兹变换和物理量的相应 变换下保持形式不变。
u c2
x) (t
c
x)
t (t u x) (t x)
c2
ppt课件
c
38
洛伦兹变换式
x (x ut)
x (x ut)
正 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
逆 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
ppt课件
39
洛伦兹变换特点
1 , u
பைடு நூலகம்
1 2
c
1） t, x 与 t，x 成线性关系，但比例系数 1 。
vz vz
vz vz
加速度变换公式
ax ax ay ay az az
牛顿力学中： 相互作用是客观的 力与参考系无关
长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系的选择 无关。物体的广延性不受其运动状态的影响。
表明：绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响， 总是保持不变并且不可移动。
ppt课件
17
3. 伽利略变换
当 t t 0时 o 与 o重合
坐标变换式
s y s' y'
2） 时空不独立，t 和 x 变换相互交叉。
3） u c 时，洛伦兹变换
伽利略变换。
洛仑兹 变换
x x ut
y y z z
t t x
c
0 1
退化
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x x ut y y z z t t
伽利略 变换
40
导出洛伦兹变换后，狭义相对性原理可以表述为： 表示物理定律的方程式在洛伦兹变换和物理量的相应 变换下保持形式不变。
u c2
x) (t
c
x)
t (t u x) (t x)
c2
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c
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洛伦兹变换式
x (x ut)
x (x ut)
正 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
逆 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
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39
洛伦兹变换特点
1 , u
பைடு நூலகம்
1 2
c
1） t, x 与 t，x 成线性关系，但比例系数 1 。
vz vz
vz vz
加速度变换公式
ax ax ay ay az az
牛顿力学中： 相互作用是客观的 力与参考系无关
第5章狭义相对论基础精品PPT课件
xct
x(xu t)
x(xu)t
xct c t(cu)t 相乘 ct(cu)t
1
1(u c)2
1
1(u c)2
x(xu t) x(xu)t
x ut x
1(u c)2
x xut 1(u c)2
t
t
u c2
x
1 (u c)2
t
t
u c2
x
1 (u c)2
2.结果 坐标变换式
正变换
x x ut
v x v x u v y v y
逆 v z v z
ax
a x
du dt
a y a y
a z a z
结论: 在两个惯性系中
两个
a x a x
都是 a y a y
惯性
系
a
z
a z
aa
二.力学的相对性原理（伽利略的相对性原理）
Newton Principle of relativity
绝对时空观
§5.2 狭义相对论基本概念 洛仑兹变换
一.伽利略变换的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 光速 C
迈克耳逊-莫雷的 0 结果 3) 高速运动的粒子
二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设
1）物理规律对所有惯性系都是一样的不存在任 何一个特殊的（绝对静止）惯性系
—— 爱因斯坦相对性原理
在两个惯性系中考察同一物理事件
一.伽利略变换
Galilean transformation
设惯性系S和相对S运动的惯性系 S
t时刻，物体到达P点
y S y S
r
o o
u
r
P
xx
S
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相对性原理 光速不变原理 • 4、洛伦兹变换
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 在历史跨入二十世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老
开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的 讲演（还有说，19世纪的最后一天，1899年12月31日）。 • 文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言 热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明 晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的 波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论； 它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的 弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于 能量均分的学说。”
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 物理规律需要用一定参考系表示出来。在经典
力学中，根据实践经验引入了惯性参考系。我 们知道力学的基本运动定律对所有惯性系成立。 关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁 场的基本规律，在此基础上必然提出参考系问 题，即所总结出来的电磁现象的基本规律究竟 是用于什么参考系。
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 寻找这个特殊参考系和确定地球相对于这参考系的运
动成为上世纪末物理学的一个重要课题。电磁学的进 一步发展要求解决之一问题，而当时的科学发展水平 已使得精确测量光速成为实际可能。多次试验结果都 没有发现任何绝对运动的效应，从而迫使人们接受在 真空中光速相对于任何参考系都等于c的结论。
§3.1 相 对 论 的 实 验 基 础 §3.2 狭 义 相 对 论 的 时 空 观 §3.3 相 对 论 理 论 的 四 维 形 式 §3.4 电 动 力 学 的 相 对 论 不 变 性
§3.5 相 对 论 力 学 方 程
本讲主要内容
• 1、相对论产生的历史背景 20世纪物理学上空的两朵乌云
• 2、相对论的实验基础 • 3、相对论的基本原理
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对
运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问 题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的 基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难 的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运 动时，原子就要排除它们前面空间中的以太—— 那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。
《电动力学》第14讲
第三章 狭义相对论 (1) §3.1 相对论的实验基础
教学体系
第1章 真空中的Maxwell方程组
第 2章 电 磁 场 的 标 势 、 矢 势 和 电 磁 辐 射
第 3章 狭 义 相 对 论
§2.1 静 电 场 的 标 势 §2.2 静 电 势 的 多 极 展 开
§2.3 恒 稳 磁 场 的 矢 势 §2.4 讯 变 电 磁 场 的 矢 势 和 标 势 §2.5 谐 变 势 的 多 极 展 开 、 电 磁 相对论产生的历史背景 • 参考系问题在电动力学中由于下述原因而变得更为突出： • 从电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组，可以得到波动
方程，并由此波动方程得出电磁波在真空中的传播速度 为c。 • 按照旧时空概念，如果物质运动速度相对于某一参考系 为c，则变换到另一个坐标系时，其速度就不可能沿各个 方向都是c。从旧概念出发，电磁波只能对一个特定参考 系的传播速度为c，因而麦氏方程组也就只能对该特殊参 考系成立。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，按照菲涅耳的静止以
太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么 在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公 里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发 生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈 克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实 验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想 方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹
曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数 学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企 图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对， 开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途 径就是否认这一结论”。
相对论的实验基础
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的
“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得 “实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自 由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说 并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为， 这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态 度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓 密的。”
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦
克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体 一些，指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射 研究中的困境。至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐 射实验和理论的不一致。 • 光以太的——引发了相对论 • 黑体辐射实验，理论与实验数据不符——引发了量子 力学。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他
简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学 说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多 原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开 耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹 曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯 韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在 玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的 可能性。”
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之
一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二 十世纪初就可以使其消失。 • 在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的 这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学 面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。 这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视 世纪之交物理学革命洪流的冲击。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 在历史跨入二十世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老
开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的 讲演（还有说，19世纪的最后一天，1899年12月31日）。 • 文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言 热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明 晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的 波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论； 它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的 弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于 能量均分的学说。”
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 物理规律需要用一定参考系表示出来。在经典
力学中，根据实践经验引入了惯性参考系。我 们知道力学的基本运动定律对所有惯性系成立。 关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁 场的基本规律，在此基础上必然提出参考系问 题，即所总结出来的电磁现象的基本规律究竟 是用于什么参考系。
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 寻找这个特殊参考系和确定地球相对于这参考系的运
动成为上世纪末物理学的一个重要课题。电磁学的进 一步发展要求解决之一问题，而当时的科学发展水平 已使得精确测量光速成为实际可能。多次试验结果都 没有发现任何绝对运动的效应，从而迫使人们接受在 真空中光速相对于任何参考系都等于c的结论。
§3.1 相 对 论 的 实 验 基 础 §3.2 狭 义 相 对 论 的 时 空 观 §3.3 相 对 论 理 论 的 四 维 形 式 §3.4 电 动 力 学 的 相 对 论 不 变 性
§3.5 相 对 论 力 学 方 程
本讲主要内容
• 1、相对论产生的历史背景 20世纪物理学上空的两朵乌云
• 2、相对论的实验基础 • 3、相对论的基本原理
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对
运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问 题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的 基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难 的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运 动时，原子就要排除它们前面空间中的以太—— 那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。
《电动力学》第14讲
第三章 狭义相对论 (1) §3.1 相对论的实验基础
教学体系
第1章 真空中的Maxwell方程组
第 2章 电 磁 场 的 标 势 、 矢 势 和 电 磁 辐 射
第 3章 狭 义 相 对 论
§2.1 静 电 场 的 标 势 §2.2 静 电 势 的 多 极 展 开
§2.3 恒 稳 磁 场 的 矢 势 §2.4 讯 变 电 磁 场 的 矢 势 和 标 势 §2.5 谐 变 势 的 多 极 展 开 、 电 磁 相对论产生的历史背景 • 参考系问题在电动力学中由于下述原因而变得更为突出： • 从电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组，可以得到波动
方程，并由此波动方程得出电磁波在真空中的传播速度 为c。 • 按照旧时空概念，如果物质运动速度相对于某一参考系 为c，则变换到另一个坐标系时，其速度就不可能沿各个 方向都是c。从旧概念出发，电磁波只能对一个特定参考 系的传播速度为c，因而麦氏方程组也就只能对该特殊参 考系成立。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，按照菲涅耳的静止以
太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么 在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公 里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发 生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈 克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实 验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想 方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹
曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数 学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企 图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对， 开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途 径就是否认这一结论”。
相对论的实验基础
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的
“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得 “实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自 由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说 并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为， 这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态 度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓 密的。”
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦
克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体 一些，指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射 研究中的困境。至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐 射实验和理论的不一致。 • 光以太的——引发了相对论 • 黑体辐射实验，理论与实验数据不符——引发了量子 力学。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他
简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学 说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多 原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开 耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹 曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯 韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在 玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的 可能性。”
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之
一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二 十世纪初就可以使其消失。 • 在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的 这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学 面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。 这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视 世纪之交物理学革命洪流的冲击。