狭义相对论的实验证明

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1、狭义相对论xiayixiangduilunspecialtheoryofrelativity    粗略地说是区别于牛顿时空观的一种新的时空理论，是A.爱因斯坦于1905年建立的，“狭义”(或“特殊”)表示它只适用于惯性参照系。只有在观察高速运动现象时才能觉察出这个理论同经典物理学对同一物理现象的预言之间的差别。现在，狭义相对论在许多学科中有着广泛的应用，它和量子力学一起，已成为近代物理学的两大基础理论。    狭义相对论的产生 　狭义相对论是在光学和电动力学实验同经典物理学理论相矛盾的激励下产生的。19世纪末到20世纪初，人们发现了不少同经典物理学理论相抵触的事实。①

2、运动物体的电磁感应现象。例如一个磁体和一个导体之间的电动力的相互作用现象，表现出运动的相对性无论是磁体运动导体不动，还是导体运动磁体不动，其效果一样，只同两者的相对运动有关。然而，经典的麦克斯韦电磁场理论并不能解释这种电磁感应的相对性。②真空中的麦克斯韦方程组在伽利略变换下不是协变的，从而违反了经典物理学理论所要求的伽利略变换下的不变性。③测定地球相对于“光媒质”运动的实验得到否定结果，同经典物理学理论的“绝对时空”概念以及“光媒质”概念产生严重抵触。爱因斯坦在青年时代深入思考了这些实验现象所提出的问题，形成了一些重要的新的物理思想。他认为“光媒质”或“光以太”的引入是

3、多余的，电磁场是独立的实体；猜想到电动力学和光学的定律同力学的定律一样，应该适用于一切惯性坐标系。他还认为，同时性概念没有绝对的意义。两个事件从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的。在这些物理思想的推动下，爱因斯坦提出了两个公设：①凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于电动力学和光学的定律也一样适用；②光在真空中的速度同发射体的运动状态无关。爱因斯坦在这两个公设的基础上建立了狭义相对论。    惯性参照系 　要描写物体的运动，就得选取一个参照系，或坐标系。例如，可以用三根无限长的理想刚性杆(没有重量、不会因外界的

4、影响而变形等)做成互相垂直的标架，叫做笛卡儿坐标架，用以描写空间任意点的位置，任意点到原点的距离由标准尺子度量。同时，在空间的每一点上再放一只构造和性能完全相同的标准时钟，用来测量当地的时间。但是，这还不够，要描写某一物体对另一物体的运动，特别是要比较发生在不同地点的物理事件的先后次序，那就必须把位于不同地点的时钟互相校准或同步。一般有两种进行同步的办法。①将一只标准钟在原点同原点的时钟对准，然后将它逐次移到空间的每一点来把所有的时钟对准。但是，在采用这个办法时，人们事先并不知道移动的过程对于标准钟的快慢会产生什么影响。②从某一空间点(例如从坐标原点)于某一时刻将光信号

5、发射到空间各点，用以校准所有的时钟。但是，在采用这种办法时，事先必须知道光信号在空间各个方向上的传播速度，而要想测量光的速度又必须先将不同地点的时钟校准。由此可见，必须借助于一定的科学假设，才有可能把不同地点的时钟互相校准或同步，建立起同时性。根据大量实验提供的证据，爱因斯坦认为可以假定光信号向各个方向传播的速度相同，即光速是各向同性的。据此人们就可以用光信号来校准空间各点的时钟了，从而同时性就得到了准确的定义，也就是说有了一个完整的参照系或坐标系：用标准尺子测量空间位置，用位于空间各点的时钟记录当地的时间，用光信号校准所有的时钟。    不过，空间坐标架的选择不是唯一

6、的。例如，一种坐标架相对于另一种坐标架可以有各种速度的匀速运动，也可以有各种加速运动。    在狭义相对论中，为了便于说明问题的本质，选用的是这样一类参照系或坐标系，在这一类参照系或坐标系中，如果没有外力作用，物体就会保持静止或匀速直线运动的状态。这一类坐标系称为惯性坐标系或惯性参照系，简称惯性系。    狭义相对论的基本假设和主要结论 　前面曾提到爱因斯坦的作为狭义相对论基础的两个假设。这两个假设中的第一个称为相对性原理，第二个称为光速不变原理。相对性原理(或爱因斯坦狭义相对性原理)可以表述为：一切物理定律在所有惯性系中其形式保持不变。显然，这个原理是力学中的伽利略相

7、对性原理的推广。如果人们知道了物理现象在某一惯性系中的运动规律，那么很容易根据相对性原理写出在其余一切惯性系中的运动规律。光速不变原理表述为：光在真空中总是以确定的速度c传播，这个速度的大小同光源的运动状态无关。更详细地说光速不变原理包含着下面这样一些内容：在真空中的各个方向上，光信号传播速度(即单向光速)的大小均相同(即光速各向同性)；光速同频率无关；光速同光源的运动状态无关；光速同观察者所处的惯性系无关。十分明显，这个原理同经典力学不相容，但是如前所说，有了这个原理，才能够准确地定义不同地点的同时性。    有了上述两个基本原理，立刻