【正文】 狹義 相對論 第十三 講 本章研究的問題 : 在 兩個慣性系 中考察同一物理事件 通常： 實驗室參考系 定為 S系 運動參考系 定為 S’系 運動是相對的，在研究運動相對性問題時，認識到了參考系的概念。 從“三大守恒定律”到“牛頓運動定律”，完成了 “經(jīng)典力學” 的構建。 幾乎 可以用來解釋所有 宏觀、低速 運動現(xiàn)象。 正如歐幾里德幾何建立在幾條基本假設的基礎上， “經(jīng)典力學的大廈” 建立在 “伽利略時空觀” 的假設上。 經(jīng)典時空觀中時間與空間都是絕對的，彼此無關。 ， ， ， ， ， 。 伽利略經(jīng)典時空觀 伽利略相對性原理 摘自《關于哥白尼和托勒玫兩大世界體系的對話》 在一個勻速運動的參考系中，用任何實驗都無法測量出參考系本身的速度。 即：無法感知參考的運動。 力學規(guī)律對所有慣性系平權 —— 力學規(guī)律在所有慣性系中有同樣的表達形式。 伽利略相對性原理 之后的研究都是限于應用這些基本規(guī)律解決具體問題。 實施方法： 牛頓運動定律 經(jīng)典力學規(guī)律： 建立在伽利略時空觀上的動力學量的守恒條件的規(guī)范。 伽利略坐標變換 一個參照系靜止 S 系， 另一個參照系沿 ox 軸以 v 運動 S’ 系 ， oyzxS39。y39。z39。x39。o39。Sx39。xvtvP0?t時兩坐標重合 39。xx ? 0?t 時刻質點在兩參照系下的坐標 vtxx ?? 39。系S 39。yy ? 39。zz ?39。tt?vtxx ??39。系39。S yy ?39。 zz ?39。39。tt?d r d rd t d t? ?＝ v39。uu?? v39。39。 duadt?aa??duadt?oyzxS39。y39。z39。x39。o39。Sx39。xvtvPr r t??＝ v動參考系作任意方式運動（選學） 動參考系 S’相對于靜參考系 S的運動： 平動＋繞某根軸轉動 1）某點相對于 S’靜止。研究其相對 S系的運動情況。 2）某點相對于 S’系勻速運動。 3）某點相對于 S’系作任意運動。 結論： 絕對速度 =相對速度 +牽連速度 經(jīng)典物理： 伽利略時期 —— 19世紀末 經(jīng)過 300年發(fā)展，到達全盛的“黃金時代” 形成三大理論體系 ： 以牛頓定律和萬有引力定律為基礎的 經(jīng)典力學 ： 以麥克斯韋方程組為基礎的經(jīng)典電磁學 ： 以熱力學定律為基礎的宏觀理論 (熱力學 ) 以分子運動為基礎的微觀理論 (統(tǒng)計物理學 ) 物理學家感到自豪而滿足，兩個事例： 在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。也就是在測量數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面添加幾位有效數(shù)字而已。 ——開爾芬（ 1899年除夕） 理論物理實際上已經(jīng)完成了，所有的微分方程都已經(jīng)解出，青年人不值得選擇一種將來不會有任何發(fā)展的事去做。 ——約利致普朗克的信 但是好景不長，在物理學晴朗的天空上出現(xiàn)了兩朵烏云， 量子理論誕生 相對論誕生 黑體輻射實驗 邁克爾遜干涉儀實驗 開耳文勛爵在一篇于 1900年發(fā)表的瞻望二十世紀物理學發(fā)展的文章中也說：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只需要做一些零星的修補工作就行了”，不過他還不愧為一名確有遠見卓識的物理學家，因為他接著又指出：“但是在物理晴朗天空的遠處，還有兩朵小小令人不安的烏云”，一個是熱輻射現(xiàn)象中的紫外災難，另一個是否定絕對時空觀的邁克爾遜莫雷實驗，正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學的束縛，打消了當時絕大多數(shù)物理學家的盲目樂觀情緒，為后來建立近代物理學的理論基礎作出了貢獻。 基本假設： 光是波動；光在 “ 以太 ” 中以速度 c傳播； “ 以太 ”相對太陽靜止；光的傳播速度遵循伽利略變換 。 實驗設計： 干涉儀轉 90176。 ， 觀測干涉條紋是否移動 ？ 實驗結果： 條紋無移動 (零結果)。 以太不存在 ， 光速與參考系無關 。 S AB1L2L?干涉條紋 P地球公轉 u邁克爾孫 莫雷實驗的“零”結果 實驗目的： 以太為 S系 ， 地球為 S’ 系 ， 已知地球的牽連速度和光的絕對速度 ， 可求出光相對地球的速度 ， 從而預測出干涉實驗結果 。 ??????????????? 221222112cuLcuLcttt P A PP B P)1(222111cucLucLucLtP A P ??????22 ucv ???S AB1L2L? P地球公轉 u222222122cucLucLtP B P??????????????????????221222112cuLcuLcttt P A PP B P干涉儀轉 90176。 后 按照伽利略速度變換 ，時間間隔變成 干涉儀轉 90176。 引起時間差的變化為 2221cucLLtt ??????由干涉理論，時間差的變化引起 的 移動 條紋數(shù) 2221)(cuLLttcN??????????對于 5 8 9 n ms,mm, ????? ?421 10322 uLL?? N但實驗值為 0??N以太不存在 ， 光速與參考系無關 。 該結果說明什么問題呢？ “還在學生時代 ， 我就在想這個問題了 。我知道邁克耳遜實驗的奇怪結果 。 我很快得出結論： 如果我們承認麥克爾遜的零結果是事實 ， 那么地球相對以太運動的想法就是錯誤的 。 這是引導我走向狹義相對論的最早的想法 。 ” 愛因斯坦對麥克爾遜－莫雷實驗的評價： 16 001 ???c電磁學理論給出真空中電磁波的傳播速度為 麥克斯韋電磁理論的結論 —— 光速不變原理 其中 和 都是與參考系無關的常數(shù) 。 0?0? 真空中光速與參考系無關 （ 即與光源的運動和觀察者的運動無關 ） ， 不服從伽利略變換 。 修改電磁學定律，還是修改伽利略變換？ 電磁學定律： 實驗驗證是正確的 伽利略變換： 適用于低速情況。 高速情況 ？ 愛因斯坦認為： 修改伽利略變換 ! 阿爾伯特．愛因斯坦（ Albert． Einstein） 1879年 3月 14日出生在德國西南距離慕尼黑八十五哩的烏耳姆城 (Ulm)。父母都是猶太人。父親赫爾曼．愛因斯坦和叔叔雅各布．愛因斯坦合開了一個制造電器設備的小工廠。母親玻琳是受過中等教育的家庭婦女，非常喜歡音樂，在小愛因斯坦六歲時就教導他拉小提琴。 這是一個和睦、愉快的家庭。親人們深愛著小愛因斯坦，但都為他的智力發(fā)育感到擔憂。愛因斯坦小時候并不活潑，三歲多還不會講話，父母很擔心他是啞巴，帶他去給醫(yī)生檢查。還好小愛因斯坦不是啞巴可是直到九歲時講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經(jīng)過吃力但認真