相对论---关于时空观及时空与物质关系的理论

爱因斯坦认为：物质世界的规律应该是和谐 统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。 在任何惯性系中光速都是各向为c，这样就自然 地解释了迈克耳孙—莫雷实wenku.baidu.com的零结果。
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 .
引言
19世纪末，经典物理学（牛顿力学，麦克斯韦电磁 场理论，热力学与经典统计理论）取得很大成功。当 时许多物理学家都沉醉于成绩和胜利之中，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--
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令 人不安的乌云，----”
相对论从根本上改变了旧的经典的时空观，那么， 什么是旧的、经典的时空观呢？
17.1 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.
力学现象对一切惯性系来说,都遵从同样的规律;或者
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.
y y
二.伽利略变换
实验结果:无条纹移动.
以太不存在.即否定了电磁理论适用的绝对以太参照系!
M2 M1
s G v T
G M2
c c2 v2
- v
M2
-
v
G
c c2 v2
（从 s'系看）
s GM2 GM1 l 设“以太”参考系为S系，实验室s为'
T
M2 系 G M1
G
G
M2
G
G
v
t1

c
l
(2)相对性原理实际上是力学相对性原理的推广，它不 仅包含力学现象，而且包括一切其它的物理现象.
三.洛伦兹变换 下面由相对性原理来推导这个变换
若空间某点 P 发生一件事，其时空坐为
x'.y'.z't', x.y.z.t
所谓坐标变换就是要找出它们之间的关系。 推导之前须指出两点： 1）新变换应在低速状态下变成为伽利略坐标变换 任何成功的理论都是对旧理论的扬弃，它总是把旧理 论中合理的部分保留或包含在其自身之中。不能把旧 理论完全抛弃。 牛顿定律与伽利略变换毕竟是低速状态下客观事物的 反映，故新变换须在低速下，即

y

y
z z
伽利略坐标变换对时间求导
x x ut
y y z z
或
x x ut y y z z
t t
t t
———伽利略坐标变换
vvxy

vx vy
u
再对时间求导
vz vz
伽利略变换的假设(基本前提)
1 存在不受运动状态影响的时钟——绝对时间
即有: t t 从而有: t t
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
“夫天地者，万物
即有: r' (x')2 (y')2 (z')2 之逆旅；光阴者， 百代之过客”－－
——伽利略速度变换
矢量式: v v u
aaxy

ax ay
az az
矢量式: a = a
F= m a
F= m a
牛顿定律对S系和S系 有相同的形式
即牛顿定律在伽利略变换下是不变的.或者说力学规 律对伽利略变换是不变的.力学的相对性原理.
三.经典力学时空观
r (x)2 (y)2 (z)2 李白＜春夜宴桃李
园序＞
17.2 爱因斯坦假设 洛仑兹变换
一 狭义相对论的历史背景 1.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? •显然力学原理不能找出这个特殊惯性系,那么电磁学现 象呢? 19世纪下半叶，由麦克斯韦电磁场方程组得知： 电磁波（包括光）在真空中各方向速率都为c
力学相对性原理的数学表述.
考虑两惯性参考系S(Oxyz)
和S(Oxyz), 对应坐标轴相
平行,且S系相对S系以速度 z u沿Ox轴的正向运动.
z
S S
y y
u
ut
•P
O O x
x
x x
z
z t=0时，两者重合
点P在两坐标系中的关系:
若认为同一事件在两系中同时 刻发生:
x x ut
二.爱因斯坦假设
1905年爱因斯坦在《论动体的电动力学》一书提出 如下两条基本原理：
1.狭义相对性原理 物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式, 即所有的惯性系对运动的描述都有是等价的.
2.光速不变原理 真空中的光速是常量,它与光源或观测者的运动无关, 即不依赖于惯性系的选择.
说明: (1)第一假设说明一切惯性系都是平权的,绝 对静止的参考系不存在.
c 1 3.0108 m / s
0 0
麦克斯韦电磁场方程组和伽利略变换矛盾！
人们假定: 电磁波(光)传播的媒质是以太,以太静止在绝对空间.
光相对以太的传播速度为 c, 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 c.
寻找以太成为判断绝对参考系存在的关健. 2.迈克耳孙-----莫雷实验 把迈克耳孙干涉仪固连在地球上. 设想以太相对太阳静止,则干涉仪跟随地球一起相对 以太运动.转动干涉仪，计算条纹移动数
热辐射实验
迈克尔逊莫雷实验
相对论---关于时空观及时空与物质关系的理论。
（经典力学的障碍就是其时空观出现了问题，相对论 从根本上改变了经典的时空观。）
狭义相对论 （special relativity） 关于惯性系时空观的理论；
广义相对论 （General relativity） 关于一般参照系及引力的理论；
v

c
l
v
t2 c
2l 1 v2
c2
M1
l 10m, 500nm, v 3104 m/s
Δ ct l v2 , c2
N

2Δ


2l
v2
c2
0.4
仪器可测量精度
N 0.01
1922年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话： “还在学生时代，我就在想这个问题了。 当时， 我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出 结论：如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实， 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。”