chap4 1经典力学时空观

1924 年，同印度物理学家玻色合作建立了玻色 -爱 因斯坦统计
1933 年10月，由于二战，迁居美国，受聘美国普 林斯顿研究所教授。曾任美国总统的科学顾问
综观他的一生，在狭义相对论、广义相对论、量子 论、分子运动论、宇宙学、统一场论，六个领域都 作出了巨大贡献，其中四个领域是开创者，是 20世 纪最伟大的科学家。
在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只 要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据 的小数点后面添加几位有效数字而已。
——开尔芬（1899 年除夕）
理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都 已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发 展的事去做。
——约利致普朗克的信
两朵乌云： 1. 迈克尔孙 — 莫雷实验的“零结果” 2. 黑体辐射的“紫外灾难”
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或
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正变换
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逆变换
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§4.1 力学相对性原理 经典力学时空观
一、伽利略变换
K系和K' 系坐标轴相互平行, K' 系相对于K系沿 +x 方向以速率 v 匀速运动， 当 O 和 O' 重合时，令t=t'=0
K系
K ?系
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坐标变换：
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坐标变换分量式：
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1912年教授，把光量子用于光化学现象，建立了光 化学定律 1913年任柏林威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授
1915 年创立广义相对论，把几何学与物理学统一起 来
1916年发表一篇总结量子论发展的论文，把量子论 同统计原理结合起来，并提出受激辐射理论，被誉 为“激光之父”
1917 年，《根据广义相对论对于宇宙学所作的考察》 提出了一个有限无界的宇宙模型，是现代宇宙学的 开创性文献
实验检验
广义相对论时空观
学时：狭义相对论 8 广义相对论简介 2
重点：
狭义相对论的两条基本原理 洛仑兹坐标变换 狭义相对论时空观（“同时”的相对性、钟慢尺缩） 质速关系，质能关系，能量与动量关系
难点： 狭义相对论时空观 广义相对论的两条基本原理 时空的几何化，空间弯曲
前言：相对论产生的历史背景和物理基础
⑥12 月《关于布朗运动的理论》
年仅 26 岁的他在不到一年时间里，在量子论、相对 论、分子运动论三个不同领域作了四项划时代意义 的贡献。特别是他不在学术机关工作，完全靠业余 时间进行研究，得不到任何物理学家的指导，简直 是人类科学史上的一个奇迹。
1906 年4月晋升为二级专家
1909年秋，辞职任母校理论物理学副教授
1891 年自学几何 1895 年自学微积分；参加瑞士苏黎士工业大学 入学考试，语言、生物未过，没考上 1896 年考入苏黎士工业大学物理系，学的是师范
1900 年毕业，申请在母校做助教和中学教员的要 求没有得到满足
1901 年2月21，取得瑞士籍
1902年6月，在大学同学格罗斯曼父亲的帮助下 被伯尔尼瑞士专利局临时录用为三级技术员
相对论的思想基础：对称性观念 物理规律不因人（参考系）而异，参考系变换应该 是物理定律的对称操作。
一切惯性系对物理定律等价 —— 狭义相对论 惯性系和非惯性系对物理定律等价 —— 广义相对论
爱因斯坦简介
Albert Einstein(1879.3.14-1955.4.18) 德国 犹太人， 3岁才会说话
? 体现对称性思想 —— 对于描述力学规律而言， 一切惯性系彼此等价。
伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述
变换
一个参考系的描述 另一参考系的描述
或操作
不同惯性系中的观察者所观测到的具体力学现象
可以不同，但所观测到的力学规律相同
物理实在 的结构
物理 实在
经典力学规律具有伽利略变换不变性， 伽利略变换是经典力学的对称操作。
实验结果与理 论不符
三大发现： 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) 2.X射线：1895 年，德国，伦琴
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，居里夫 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。
物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念， 而非公式，才是每一物理理论的开端。
－－爱因斯坦（1879 — 1955）《物理学的进化》
结构框图
力学相对性原理
对称性扩展
狭义相对性原理 光速不变原理
对称性扩展
伽利略 变换
洛仑兹 变换
绝对时空观
狭义相对论时空观 比
较
相对论动力学基础
广义相对性原理 等效原理
Байду номын сангаас
伽利略变换中已经隐含了时空观念 三、绝对时空观 1. 时间：用以表征物质存在的持续性，物质运 动、变化的阶段性和顺序性。
1903年与大学时代女友结婚 1904年9月转正
1905年是他人生大丰收的一年：
①3月17日《关于光的产生和转化的一启发性观点》 获1921年诺贝尔物理学奖
②4月《分子大小的新测定法》，博士论文，获母 校博士学位
③5月《处理悬浮在流体中的粒子的不规则运动》
④6月《论动体的电动力学》
⑤9月《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》 E=mc 2 核物理和粒子物理学的理论基础
经典物理：伽利略时期 —— 19世纪末 经过300 年发展，到达全盛的“黄金时代”
形成三大理论体系
1.机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的 经典力学
2.电磁运动： 以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学 3.热运动： 以热力学定律为基础的宏观理论(热力学)
以分子运动为基础的微观理论(统计物理学)
物理学家感到自豪而满足，两个事例：
u
' x
u
' y
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v
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?
u
' z
正变换
逆变换
加速度变换公式
a'x ? ax a'y ? ay
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?
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a? ?
a? ' ? F
?
ma?'
在两相互作匀速直线运动的惯性
a 'z ? a z 系中，牛顿运动定律具有相同的形式 .
二.力学相对性原理
力学定律在一切惯性系中数学形式不变。
理 解： ? 在一个惯性系中所做的任何力学实验，都不能判 断该惯性系相对于其它惯性系的运动。