【正文】 RELATIVITY 第 11章 狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ) (SPECIAL RELATIVITY) 19世紀(jì)末，牛頓定律在物理學(xué)各個領(lǐng)域都取得了 很大的成就： 1. 機(jī)械運動：計算并成功預(yù)言了星體運 動； 2. 分子物理：成功解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體內(nèi)能。 在電磁學(xué)方面，建立了描述一切電磁現(xiàn)象的邁克 斯韋方程組，統(tǒng)一了電磁學(xué)和光學(xué)。 當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。 他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。 另外還找到了力、熱、電、光、聲等都遵循的規(guī) 律 ?? 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。 在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只 要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。 ?? 英國物理學(xué)家 開爾文 (1900年 ) 但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云 …… ?? 開爾文 熱輻射實驗 邁克爾遜 莫萊實驗 (微觀領(lǐng)域 ) (高速領(lǐng)域 ) 相對論 量子力學(xué) 兩朵烏云 相對論是關(guān)于時空觀及時空與物質(zhì)關(guān)系的理論。 從根本上改變了舊的經(jīng)典時空觀。 狹義相對論是關(guān)于慣性系時 空觀的理論；廣義相對論是關(guān)于 非慣性系及引力的理論。 ? 167。 狹義相對論的基本原理 對物質(zhì)運動的看法，是任何科學(xué)理論都要回答的 問題。經(jīng)典力學(xué)怎樣看待這個問題？ 一、絕對時空觀和伽利略變換： 1. 牛頓的絕對時空觀 (1) 空間 是三維的大容器，它的存在是絕對的， 與 物質(zhì)運動無關(guān) ，一切物質(zhì)都存放于其中。 (2) 時間 是一維的長流，它 與物質(zhì)運動無關(guān) ，時間 絕對地、永恒地均勻流逝著。 (3) 時間和 空間是絕對的，二者無關(guān)。 狹義相對論與牛頓力學(xué)的經(jīng)典時空觀完全不同， 建立了全新的時空觀，突出了時空觀的重要意義。 2. 伽利略變換：建立在牛頓的絕對時空觀之上 考慮兩個慣性參考系： iu?S39。 系相對于 S 系以速度 運動 , 相應(yīng)坐標(biāo)軸互相平行。 O 和 O39。 重合時作為計時起點。 S 系： O –xyz S39。 系： O39。–x39。 y39。 z39。 u O x y S t t39。 質(zhì)點 ttzzyytuxx?????????稱為 伽利略坐標(biāo)變換 。 其中 t39。 = t 是默認(rèn)的。 O39。 x39。 y39。 S39。 得 zzyyxxvvvvuvv??????? 或 uvv ??? ???稱為 伽利略速度變換 。 再對時間求導(dǎo)，得 aa ?? ??即不同慣性系中，同一質(zhì)點的加速度相等。 另外，牛頓認(rèn)為力和質(zhì)量也和慣性參考系無關(guān)， 在 S 系中有 ，在 S39。 系中有 ，即牛 頓第二定律具有相同的形式 , 此即伽利略相對性原理。 amF ?? ? amF ???? ??求導(dǎo)： tddztdzdtddytdydutddxtdxd ?????????? ,ttzzyytuxx????????? 牛頓定律適用于一切慣性參照系，在不同慣性系 中， 力學(xué)規(guī)律 具有完全相同的形式。這稱為 伽利略相 對性原理 或 力學(xué)相對性原理 。 對于力學(xué)現(xiàn)象來說，一切慣性系都是等價的。無 論什么樣的力學(xué)實驗，都無法判斷做相對運動的兩個 慣性系哪個是靜止的，哪個是運動的。談?wù)撃骋粦T性 系的絕對運動或絕對靜止是沒有意義的。 3. 伽利略相對性原理 二、愛因斯坦相對性原理和光速不變原理： 1. 時代背景： 牛頓的絕對時空觀遇到了問題： 邁克斯韋方程組預(yù)言了電磁波，導(dǎo)出了真空電磁 波傳播速度 ，與實驗測得的 真空光速相同，從而證明了光是電磁波。 m / ??? ??c 若 S 系的真空光速為 c， S39。 系相對于 S 系以速度 u 運動，則 S39。 系中的真空光速為 c + u 或 c – u 。 這樣，要承認(rèn)絕對時空觀，必須找到真空光速為 ?108 m/s 的參考系，這個特殊參考系稱為絕對參 考系，歷史上又叫以太參考系。 ? 邁克耳孫 莫萊實驗：測光速，找“以太”參考系 讓 G1M2 方向光與地球自轉(zhuǎn) 速度方向平行，來回需時 221 /1/2cuclucluclt?????? G2 G1 光 源 M1 M2 u G1M1 方向光在“以太” 中走折線，有 l ut2 22ct22ctl 2222222 ?????????????? utlct222 /1/2cuclt??來回需時 l 光程差 c(t2 – t1) 把裝置轉(zhuǎn)動 90176。 ，光程差將變?yōu)? c(t1 – t2) 當(dāng) l = 10m 時，干涉條紋將移動 條。但實驗結(jié)果并沒有看到預(yù)期的條紋移動。 這意味著經(jīng)典物理學(xué)出了問題，意味著絕對時間、 絕對空間、伽利略變換等等都有問題。 愛因斯坦：“我們發(fā)現(xiàn)不了以太是因為以太根本就 不存在。”只能得出 “沒有絕對參考系 (以太 )” 的結(jié)論。 1905年，愛因斯坦發(fā)表了具有劃時代意義的論文 《 論動體的電動力學(xué) 》 ，提出了愛因斯坦相對性原理 和光速不變原理，作為狹義相對論的兩條基本假設(shè)。 2. 愛因斯坦相對性原理 一切慣性系對于所有物理現(xiàn)象都是等價的，即所 有物理規(guī)律在一切慣性系中都具有相同的形式。 利用力學(xué)實驗不能區(qū)分不同的慣性系，那么電磁 實驗?zāi)?？愛因斯坦認(rèn)為同樣不能！他提出： 這稱為 愛因斯坦相對性原理 。它是牛頓相對性原 理的推廣，不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，而且適用于所有物 理現(xiàn)象。 tdpdFtdpdF?????? ????12212210121221221012?41?41 rrqqFrrqqF ???????? ????????3. 光速不變原理 根據(jù)愛因斯坦相對性原理，一切慣性系都是等價 的，沒有任何特殊的慣性系，當(dāng)然沒有光速為特殊值 的慣性系 (即絕對參考系、“以太”系 )。 在任何慣性系中，真空中的光速都相等，且與光 源的運動無關(guān)。 此即愛因斯坦提出的 光速不變原理 。若滿足光速 不變原理，就必須修改伽利略變換。 基于這兩個原理，愛因斯坦建立了狹義相對論。 伽利略變換與絕對時空觀對應(yīng)，洛倫茲變換與狹 義相對論對應(yīng)。 一、事件