第6章狭义相对论郭

牛顿桶实验：
桶转水 不转
桶水一 起转
水转桶 不转
牛顿以此说明水面呈抛物面表明水相对 绝对空间的转动。
马赫反驳—水相对其他宇宙天体的运动。
6-2 迈克尔逊-莫雷 实验
*十九世纪电磁学5—-2基本原麦理 洛仑兹克变换 斯韦方程组
* 麦氏方程组在伽氏变换下不是不变式，光 速在不同惯性系里不同。
*光在以太中的速度为 c , 以太充满宇宙, 绝 对静止不动。
迈克尔迅 – 莫雷实验
实验结果:以太不存在.表明在所有惯性系里, 电磁规律都相同,光速都是c.
迈克尔逊－莫雷实验
美国物理学家。1852 年12月19日， 1837年毕业于美国海军学院，曾任芝加 哥大学教授，美国科学促进协会主席、 美国科学院院长；还被选为法国科学院 院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9 日在帕萨迪纳逝世。
光速
时间:
c–u c+u
l
l
t1
cu cu
M2 u
c u
P
地球 P→M2 参照系： M2→P
c2 u2 c2 u2
t2
2l c2 u2
t t1t2 cl uc22
t't1t2 cl uc22
迈克尔逊莫雷(1887)
期望 实测 以太速度
L=10m 0.40 0.01 4.7km/s 8次往返 条 条
爱因斯坦 ( Albert Einstein, 1879—1955 )
20世纪最伟大的物理学 改革家，相对论的创始 人，主要科学业绩： •早期对布朗运动的研究 •狭义相对论的创建 •推动量子力学的发展 •建立了广义相对论
•1905年创建的狭义相对论 •1916年创建的广义相对论 •1921年获诺贝尔物理学奖金 •1906年用量子理论说明了固体热容 与温度的关系 •1912年用光量子概念建立了光化学 定律 •1916年提出自激发射和受激发射的 概念，为激光的出现奠定了理论基 础 •1924年提出了量子统计方法--玻色爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义 相对论研究整个宇宙的时空结构
内部所发生的力学现象不会受到该参照系运动
的影响.
推论:
二 伽里略坐标变换
所有惯性系里,力学现象遵从相同的规律 因此所有惯性系从力学角度看都是等价的,不 存在绝对静止的惯性系.
二 伽里略坐标变换
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
y
y’
K
u K’
o ut
O’
K’系相对K系沿x轴 正方向以速度 u 运动, t =0 时,两坐标系重合.
x
Joos 石英底坐挂在 0.75 0.002 1.5km/s (1930) 金属罩内摄影 条 条
两种选择:
伽里略变换对:
牛顿力学对(在伽氏变换下是不变式) 麦氏方程组错（在伽氏变换下不是 不变式）
麦氏方程组对:
伽氏变换错 牛顿力学错
爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特 别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。 爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的
概述(Summarize)
19世纪末页，经典物理已经建立。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。
1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物 理学的发展的文章中说到：
“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--
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵 令人不安的乌云，----”
热辐射实验
迈克尔逊莫雷实验
量子力学
相对论
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； 但是，光明并不久长，魔鬼又出现了， 上帝咆哮说：“让爱因斯坦降生吧”， 就恢复到现在这个样子。
6-1 伽里略变换 绝对时空观
-3 狭义相对论的两条基本原理 罗伦兹变换
一 基本原理 二基本原理
1、相对性原理
(包括一切物理现象) 2、光速不变原理
1905《论动体的电动力学》
爱因斯坦对麦克尔逊－莫雷实验的评价：
“还在学生时代，我就在想这个问题了。 我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得 出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是 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。”
x’
z
z’ x’
x
x ' x ut
y ' y
z ' z
t' t
v 'x v x u v 'y v y v 'z v z
a 'x a x a 'y a y a 'z a z
a'a
又因 ： F'F
m'm (绝对质量)
∴ K 系:
Fma
K’系: F'm'a'
总结: 牛顿定律在伽里略坐标变换下保 持形式不变. ——满足力学相对性原理。
爱因斯坦: Einstein现代时空 的创始人，二十世纪的哥白尼
一 力学的相对性原理
6-1 伽里略变换 绝对时空观
16世纪波兰天文学家哥白尼 提出地动说, 不仅教会反对, 老 百姓也难理解….垂直上抛的石 头为什么落在原地.
伽里略为解释此现象,举一 例,从一平稳行驶的帆船的桅杆 上落下的石子会落在桅杆下面 而不是船尾.
力学(伽里略)的相对性原理：
一个相对惯性系做匀速直线运动的参照系
三 绝对时空观
绝对时间：t’=t , 所有惯性系有统一的时间,“绝 对的真实的数学时间,就其本质而言, 是永远均匀地流逝着,与任何外界无 关”(牛顿). 三绝对时空观
绝对空间：x2-x1= x2’-x1’ 一把尺子在所有惯性 系里长度相同， 表明空间与运动无 关， 所有惯性系在同一个空间里运 动，空间是绝对静止的。“绝对空间 就其本质而言是与任何外界事物无 关的，它从不运动，并且永远不变” （牛顿）。
迈克耳逊主要从事光学和光谱学方 面的研究，以毕生精力从事光速的精密 测量。
1887年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷 实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经 典物理学的基础。
迈克尔逊在光谱研究和气象学方面所取得的出 色成果，使他获得了1907年的诺贝尔物理学奖金。
M2 u
P M1
地球 P→M1 参照系： M1→P
他认为，相对性原理应该普遍成立，因此电 磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，
因此他认为作为绝对参照系和电磁场的荷载 物的以太是不存在的
— 否定了绝对空间。
按照相对性原理，光速在所有惯性系里都相 同，关键是时间没有绝对的定义，时间与光信 号的速度有一种不可分割的联系。
— 否定了绝对时间
相对论基本原理