物理学史--相对论的建立与发展.ppt

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1、相对论的建立和发展物理1101第3组历史背景狭义相对论的建立广义相对论的建立相对论的发展相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。一.历史背景1.1“以太漂移”的探索以太观念的提出可以追溯到古希腊时代，亚里士多德认为天体间一定充满着某种媒质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。他认为“虚空”是不存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质以太。在光的微粒说占上风的年代

2、，以太理论曾受到压制。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。波动说的支持者把以太看成无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质”。但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在。以太漂移实验给出了否定结果。这些结果促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。1.2收缩假说的提出迈克耳逊-默雷实验的零结果发表后，爱尔兰物理学家费兹杰惹立即进行了思考。1889年，他向英国《科学》杂志投稿，写到：“唯一可能协调这中对立的假说就是要假设物体的长度回发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。”然而，由于《科学》杂志不久

3、就停刊了，这篇稿件虽然发表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这篇稿件是否问世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛伦兹更早就提出了收缩假说。1892年，荷兰物理学家洛伦兹在《论地球对以太的相对运动》中独立地提出了收缩假说，并给出了严格的定量关系。二.狭义相对论的建立爱因斯坦（公元1879～1955年）出生于德国，有犹太血统，是20世纪最伟大的物理学家。爱因斯坦从小就是一个奇怪的孩子。他酷爱音乐，6岁时学习小提琴，14岁时已能登台演出。但上学时，教师说他智力迟钝，除数学外，历史、地理和语言成绩都很差，以致遭退学处分。他的教育主

4、要靠家庭和自学。2.1爱因斯坦生平早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他曾回忆说：“这是引导我走向狭义相对论的第一步。”后来，爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，对洛仑兹方程发生了兴趣。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速

5、实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。2.2爱因斯坦建立狭义相对论的过程经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。“是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个睛朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了

6、这个难题。”不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。爱因斯坦明确指出：在他的理论里，以太的概念将是多余的，因为这里不需要特设的绝对静止参照系。爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性以及新的

7、速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受崭新的时空观，爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。迈克耳孙至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是一个怪物。英国也不例外，在人们的头脑里以太的观念太深了，相对论彻底否定以太的必要性，被人们看成是不可思议的事。当时甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。J.J.汤姆逊在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学