4.1狭义相对论基本原理

3）光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带.
人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行 地球 南门二（4光年） 牛郎星（16光年） 织女星（26.3光年） 小麦哲伦星云（15万光年）
2
t
t ' 1
v c,
1 1
2

无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间 原则上可以任意短。 在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽 略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非 常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.
时间的延缓
运 动 的 钟 走 得 慢
注意
1）时间延缓是一种相对效应 . 2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变 时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、 寿命等 . ） 3） v c 时，t t ' .

狭义相对论的时空观
1） 两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间 关系是相对的， 时间关系也是相对的，只有将空间 和时间联系在一起才有意义. 2）时—空不互相独立，而是不可分割的整体.
磁现象，已形成麦克斯韦电磁场理论，这种理论还可用来 阐述波动光学的基本问题。热现象，有了唯象热力学和统 计力学的理论。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计 力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，
宏伟壮观
他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲 道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式， 现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩 了……第一朵乌云出现在光的波动理论上……第 二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹 曼理论上。
t l l 2l c u c u c 1 u2 c 2
2l0 光往返时间： t0 c
d k
l
u
ut1 x


k
t t0
t0
1 u2 c 2
O
x1
x2
x
2l 2 2 2 2 c 1 u c 1 u c


全程所用时间： t t1 t 2
相对论问世
量子力学的诞生
相对论 量子力学
近代物理两大理论支柱
深刻影响现代科技和人类生活
1905年的爱因斯坦
一位在当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔伯特-爱因斯坦， 1905
年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念
的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最重要 的数学家亨利· 庞加勒也提出类似的观点。
运动的钟似乎走慢了.
时空隧道
双生子佯谬
有一对双生兄弟，其
中一个跨上一宇宙飞
船作长程太空旅行， 而另一个则留在地球。
结果当旅行者回到地
球后，我们发现他比 他留在地球的兄弟更
年青。
4.2.3 长度收缩 长度 = 在与长度方向平行的坐标轴上,物体两端坐标值之差.(当 物体运动时,两端坐标必须同时记录)
C
B
u
x
K系同时发生的两事件, t = 0 K
y
o
t t 0 时，C发一光信号
事件1: A接收到光信号 事件2: B接收到光信号
K
y
u
x
O
z
z
O
x
结论：“同时性”具有相对性 ——光速不变原理的直接结果
和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发 生的两个事件,在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察,并 不一定是同时发生的.
v x' s
x
s'
火箭参照系 地面参照系
解 ：固有长度
l0 15m l '
l 15 1 0.95 m 4.68m
2
l l' 1
2
作业
4-1 4-3 4-5
说明同时具有相对性,时间的量度是相对的.
4.2.2 时间延缓
理想实验：爱因斯坦火车
站台系： K系
火车系： K 系
火车系：K '
y
A'
站台系： K系
y
M
D
M
t c 2
M
D
N
M
u
o
, t1 ) I(x1
x1
x
N
o
u
x1
t N 2
x2
x
, t2 ) II(x1


原长最长！
2l 2 2 2 2 c 1 u c c 1 u c
2l0


解得：
l l0 1 u 2 c 2
设想有一光子火箭， 相对于地球以速 率 v 0.95c 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长 度为 15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？
例1
y y'
o ' o
l0 15m
I( x1 , t1 )
N1
II(x2 , t2 )
N2
用一个相对事件发生 地静止的钟测量的两 个同地事件的时间间 隔——原时(proper time) (固有时间)0
t1 0 t t 2 2d c
光信号： N M N 该两事件为异地事件,需用两只 钟测出其时间间隔：非原时(运 动时间τ)
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.
4.1.2 爱因斯坦基本假设 1.狭义相对论的相对性原理(relativity principle of special relativity)：物理规律对 所有惯性系都是一样的,不存在任何一个 特殊的惯性系．
2.光速不变原理(invariance principle of velocity of light):在任何惯性系中,光在真 空中的速率都相等. 包括两个意思： 光速不随观察者的运动而变化 光速不随光源的运动而变化 爱因斯坦的二个基本假设, 放弃了以太参照系,又不必修 改麦克斯韦方程组,光速不变与麦克斯韦 方程组在惯性系中等价是一致的.
?
c
§4.2 爱因斯坦时空观 4.2.1 同时性的相对性 问题： 在某一惯性系中的同 时事件,在另一相对其运动的 惯性系中是否是同时的?
K系 K 系
理想实验：爱因斯坦火车
同时 A
火车 K
C
B
u
x'
o'
事件1 x1, t1
, t1 x1
事件2
x2, t2
, t2 x2
不同时
A
站台 K
《分子大小的新测定方法》； 《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》； 《论动体的电动力学》； 《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》 内容涵盖光量子假说、光电效应、分子大小测定、布朗运 动、狭义相对论。爱因斯坦奇迹年100周年的2005年定为 “国际物理年”
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 理论方面作出很多的重要的贡献 .
例1 设想有一光子火箭以 v 0.95c 速率相 对地球作直线运动 ，若火箭上宇航员的计时器记录 他观测星云用去 10 min , 则地球上的观察者测得此 事用去多少时间 ？ 解: 设火箭为
S' 系、地球为 S 系
10 1 0.952
t ' 10 min
t t ' 1 2 min 32.01min
l l 2l t c u c u c 1 u2 c 2


原长l0：在相对于观察者静止 的参考系中测得的物体长度.
长度收缩 ：运动物体的长. 度 l 小于原长, l < l 0 .
t t0
t0
1 u c
2
2
2l 2 2 2 2 c 1 u c 1 u c
t 2 t 2 2 (c ) d (u ) 2 2
K系 站台系：
y
M
t c 2
M
D
N
M
u
N
o
u
x1
t N 2
1 u 令 , 1 2 c 2d 1 t t 2 c 1 1 2
x
x2
I( x1 , t1 )
N1
II(x2 , t2 )
y
y
x
x (t ) x (t ) 测量尺两端坐标
A 0 B 0
x
xA (t0 )
xB (t1 )
棒静止于K 系
入射路程：
d l ut1 ct1
u
解得
l t1 cu
k
O x1
l0
x2
x
光脉冲从反射镜返 l t 2 回到光源的时间： cu 全程所用时间： t t1 t 2
时又用以太来表示占据天体空间的物质。
迈克耳孙-莫雷实验 —— 检测以太 M1
u
S
M
以太风 M2
T 实验原理图 设地球(光源和干涉仪)相对于 “以太”速度： u
光相对于“以太”的速度: c
光相对于地球的速度：v v c u
大小随 c 的方向而变化
M1 S
u
N2
t
t 1
2
t t 0
光信号： N M N 该两事件为异地事件,需用两 只钟测出其时间间隔：非原时 (运动时间τ)

0
1 2
t 2 t 2 2 ∵ (c ) d (u ) 2 2
结论：原时最短.运动时钟变 慢效应——时间膨胀,时间延 缓(time expansion)