[理学]第11章-狭义相对论

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1、大学物理相对论RELATIVITY第11章狭义相对论力学基础(SPECIALRELATIVITY)19世纪末，牛顿定律在物理学各个领域都取得了很大的成就：1.机械运动：计算并成功预言了星体运动；2.分子物理：成功解释了温度、压强、气体内能。在电磁学方面，建立了描述一切电磁现象的迈克斯韦方程组，统一了电磁学和光学。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。另外还找到了力、热、电、光、声等都遵循的规律能量转化与守恒定律。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。英国物理学家·开尔文(1900年)但是，在物理学晴朗天

2、空的远处，还有两朵令人不安的乌云……开尔文热辐射实验迈克尔逊-莫莱实验(微观领域)(高速领域)相对论量子力学两朵乌云相对论是关于时空观及时空与物质关系的理论。从根本上改变了旧的经典时空观。狭义相对论是关于惯性系时空观的理论；广义相对论是关于非惯性系及引力的理论。?§11.1狭义相对论的基本原理对物质运动的看法，是任何科学理论都要回答的问题。经典力学怎样看待这个问题？一、绝对时空观和伽利略变换：1.牛顿的绝对时空观(1)空间是三维的大容器，它的存在是绝对的，与物质运动无关，一切物质都存放于其中。(2)时间是一维的长流，它与物质运动无关，时间绝对地、永恒地均匀流逝着。(3)时间和空

3、间是绝对的，二者无关。狭义相对论与牛顿力学的经典时空观完全不同，建立了全新的时空观，突出了时空观的重要意义。2.伽利略变换：建立在牛顿的绝对时空观之上考虑两个惯性参考系：S'系相对于S系以速度运动,相应坐标轴互相平行。O和O'重合时作为计时起点。S系：O–xyzS'系：O'–x'y'z'uOxyStt'质点称为伽利略坐标变换。其中t'=t是默认的。O'x'y'S'得或称为伽利略速度变换。再对时间求导，得即不同惯性系中，同一质点的加速度相等。另外，牛顿认为力和质量也和惯性参考系无关，在S系中有，在S'系中有，即牛顿第二定律具有相同的形式,此即伽利略相对性原理。求导：牛顿定律适用于一切

4、惯性参照系，在不同惯性系中，力学规律具有完全相同的形式。这称为伽利略相对性原理或力学相对性原理。对于力学现象来说，一切惯性系都是等价的。无论什么样的力学实验，都无法判断做相对运动的两个惯性系哪个是静止的，哪个是运动的。谈论某一惯性系的绝对运动或绝对静止是没有意义的。3.伽利略相对性原理二、爱因斯坦相对性原理和光速不变原理：1.时代背景：牛顿的绝对时空观遇到了问题：迈克斯韦方程组预言了电磁波，导出了真空电磁波传播速度，与实验测得的真空光速相同，从而证明了光是电磁波。若S系的真空光速为c，S'系相对于S系以速度u运动，则S'系中的真空光速为c+u或c–u。这样，要承认绝对时空观，必须找

5、到真空光速为2.99108m/s的参考系，这个特殊参考系称为绝对参考系，历史上又叫以太参考系。迈克耳孙-莫莱实验：测光速，找“以太”参考系让G1M2方向光与地球自转速度方向平行，来回需时G2G1光源M1M2uG1M1方向光在“以太”中走折线，有lut2l来回需时l光程差c(t2–t1)把装置转动90°，光程差将变为c(t1–t2)当l=10m时，干涉条纹将移动0.37条。但实验结果并没有看到预期的条纹移动。这意味着经典物理学出了问题，意味着绝对时间、绝对空间、伽利略变换等等都有问题。爱因斯坦：“我们发现不了以太是因为以太根本就不存在。”只能得出“没有绝对参考系(以太)”的结论。

6、1905年，爱因斯坦发表了具有划时代意义的论文《论动体的电动力学》，提出了爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，作为狭义相对论的两条基本假设。2.爱因斯坦相对性原理一切惯性系对于所有物理现象都是等价的，即所有物理规律在一切惯性系中都具有相同的形式。利用力学实验不能区分不同的惯性系，那么电磁实验呢？爱因斯坦认为同样不能！他提出：这称为爱因斯坦相对性原理。它是牛顿相对性原理的推广，不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象。3.光速不变原理根据爱因斯坦相对性原理，一切惯性系都是等价的，没有任何特殊的惯性系，当然没有光速为特殊值的惯性系(即绝对参考系、“以太”系)。在任何惯性系中，真空中的光

7、速都相等，且与光源的运动无关。此即爱因斯坦提出的光速不变原理。若满足光速不变原理，就必须修改伽利略变换。基于这两个原理，爱因斯坦建立了狭义相对论。伽利略变换与绝对时空观对应，洛伦兹变换与狭义相对论对应。一、事件和过程：事件：某时刻在空间某点发生的事情(x,y,z,t)；过程：某时间段发生的有因果关系的所有事件(x1,y1,z1,t1)–(x2,y2,z2,t2)。§11.2洛伦兹变换测量事件的时空坐标的方法：1.测空间坐标：对照时间发生地与坐标刻度；2.测时间坐标：用