狭义相对论基本原理相对论的时空观

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1、第7章狭义相对论基础第7章相对论基础（SpecialRelativity）牛顿力学：宏观……微观（量子力学）低速……高速（相对论）……狭义：惯性系，时空与运动……广义：非惯性系，时空与引力学习方法：不要抱住老的时空观念不放，应该根据实验事实建立新观念。相对论力学：§7.1狭义相对论产生背景一、牛顿相对性原理（力学相对性原理）：一切力学规律在不同的惯性系中应有相同的形式。牛顿相对性原理源于牛顿的时空观。且O与O重合时，由时空间隔的绝对性，有：—伽利略变换牛顿的时空观可通过以下坐标和时间变换来体现：牛

2、顿力学中力和质量都与参考系的选择无关，所以在不同惯性系中的形式不变。这表明伽利略变换和力学相对性原理是一致的。力学实验无法判定一个惯性系的运动状态二、经典理论遇到的困难19世纪下半叶，得到了电磁学的基本规律即麦克斯韦电磁场方程组,不具有伽利略变换下形式不变的特点。例如，麦克斯韦电磁场方程组中有真空中的电磁波速（光速）c：这和我们的“速度与参考系有关”及“伽利略速度变换”的概念完全不同在地上测得光速为c,在匀速直线运动的小车上测得光速也是c！设光源固定在地上，真空中的光速始终是一个常数，与参考系无关。

3、有人想找到麦克斯韦电磁场方程组对“绝对静止”参考系的形式。但是实验证明麦克斯韦电磁场方程组正确。企图找到“绝对静止”参考系的实验：实验目的：干涉仪转90°，观测干涉条纹是否移动？实验结果：零结果，条纹无移动。以太不存在，光速与参考系无关。干涉条纹Michelson干涉仪地球公转1887年，迈克耳孙─莫雷精确实验却得到“零”结果！地球就是“绝对静止”的参考系？有人认为“以太”（ether）是“绝对静止”的参考系，但是以太的性质太不可思议了。“以太”不可能存在。种种解释遭到失败。1922年爱因斯坦在访日

4、的即席演讲中有一段话：“还在学生时代，我就在想这个问题了。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。任何惯性系中光速都是各向为c。当时，我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实，球相对以太运动的想法就是错误的。向狭义相对论的最早的想法。”我很快得出结论：这是引导我走那么地牛顿的绝对时空观：时间和空间的测量不依顿于惯性参考系而不同。（被认为是天经地义的）7.2相对论的基本原理麦克斯韦方程组并不具有伽利略变换下形式不变的特点。理论和实验表明光

5、速不变。（1）爱因斯坦相对性原理：物理规律对所有惯性系都是一样的。（2）光速不变原理：任何惯性系中，光在真空中的速率都为c.爱因斯坦提出狭义相对论的基本原理意味着伽里略变换应该修改，意味着牛顿的时空观应该修改！！！7.3.1“同时”的相对性和时间延缓一.异地对钟问题在一个惯性系中,如何把所有的钟都对同步？在地球上S系中各处应该配置一系列同步的静止的钟,来测量S系各处发生的事件的时刻。注意:在某惯性系，在某地发生的事件,应该用该惯性系中该地的钟来计时！在S’系中各处也应该用一系列同步的静止的钟,来测量

6、S’系各处发生的事件的时刻。7.3相对论的时空观二.“同时”的相对性若两个事件在一个惯性系中看是同时发生的,在相对运动的另一惯性系中看一般就不是同时了。……同时的相对性(不是A’B’的中点M’)S系：按光速不变原理，它们相遇在AB的中点M点。tA’>tB’.S’系：B’处先打这就是同时的相对性。关键是光速不变的实验事实！反过来,如果S’系中A’、B’同时发生的两个事件,在S系中看,也不是同时发生的。哪处先发生？（两光相会于M’）答：A处先发生,tA

7、量度是相对的。“时间相差多少”与两个惯性系的相对运动速度大小有关。时间的测量是与运动有关的，时间不是绝对的。tA’>tB’.沿垂直于相对运动方向发生的两个件事，不具有同时的相对性。设在车厢惯性系S’的A’，B’处各有一个光源，它们同时发出两束光:tA,=tB,在垂直相对运动的方向上的情况：沿垂直于相对运动方向发生的两个事件，不具有同时的相对性。在地面惯性系S中看，两束光是在A、B两点发出的,AM=BM.所以，tA=tB.S’系中：光从A’发出又返回A’的时间间隔为这是在S’系中同一地点的同一个钟C’

8、测量的时间。研究“同时”的相对性的定量关系。S系中：由于S’系运动，这两个事件（发光与收到光）不是发生在同一地点，所以应由不同地点的C1与C2两个钟测量。三.时间膨胀光线走的是折线，相应的时间间隔计算如下：光速不变上式解得：(如钟图所示)t’……(S’系)同一地点的一个钟测得的两个事件的时间间隔，称为“原时（原地时）”,也称为固有时。△t……（S系）不同地点的两个钟测得的两个事件的时间间隔，称为“两地时(膨胀时)”。因为u