【正文】 new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement. (1900) Lord Kelvin (William Thomson)(18241907) 烏云變彩霞 相對(duì)論和量子力學(xué) 18 愛因斯坦：機(jī)遇與眼光 愛因斯坦極其幸運(yùn)。 v?12 在光學(xué)的早期研究中，設(shè)想光波象機(jī)械波一樣，需要在介質(zhì)中傳播 這種介質(zhì)稱為以太（ ether），光波就是以太中振動(dòng)的傳播 物理學(xué)家曾設(shè)想過以太的一些性質(zhì) 它存在于真空中，又能夠穿透任何透明物質(zhì)，其密度一定很小 光是橫波，以太具有切變模量；光速很大，以太的切變模量很大 在力學(xué)中無法探測(cè)和證實(shí)的絕對(duì)慣性系在電磁理論中又復(fù)活了 擺在物理學(xué)家面前的課題 用電磁學(xué)或光學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法找出這一絕對(duì)慣性系， 或測(cè)出我們的地球參考系相對(duì)絕對(duì)參考系（以太系）的速度有多大 13 ?邁克爾孫 莫雷實(shí)驗(yàn) 1M2M1Gvc?vc?入射光 設(shè)地球相對(duì)以太系的速度為 v，方向沿干涉儀的一臂 G1M2 或者說地球上的觀察者感受到的以太風(fēng)速向左為 v。 在 S系中電磁波傳播速度各向同性，大小均為 c； 而所有相對(duì) S系運(yùn)動(dòng)的其它 S39。真空中電磁波滿足的波動(dòng)方程為 式中 c是真空中的電磁波傳播速度， m / 800?????c電磁波在真空中沿各方向的傳播速度都等于光速 11 從伽利略變換來看，電磁波的傳播顯然不滿足相對(duì)性原理 O O?x x?y y?z z?),(),(tzyxtzyx ????如果電磁波在某一慣性系 S中 沿各方向的傳播速度為 c， 則在相對(duì) S系速度為 v的 S39。 此外，經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為不同慣性系中觀測(cè)到的力和質(zhì)量也都相同。 一切慣性系對(duì)于描述運(yùn)動(dòng)的力學(xué)定律來說是完全等價(jià)的， 不存在任何一個(gè)比其它慣性系更為優(yōu)越的慣性系。只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，也不互 左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法 從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。你把任何東西扔給你的 朋友時(shí)，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力， 你雙腳齊跳，無論向哪個(gè)方向跳過的距離都相等。然后 掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐兒里。 伽利略變換 ????????????????ttzzyyvtxx?伽利略變換 v?6 速度定義 tdzdutdydutdxdudtdzudtdyudtdxuzyxzyx???????????????,速度變換公式 ????????????zzyyxxuuuuvuu相對(duì)速度 = 絕對(duì)速度 牽連速度 7 ?伽利略相對(duì)性原理 伽利略在 1632年出版的著作 《 關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話 》 把你和幾個(gè)朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再讓你們帶幾只蒼 蠅、蝴蝶和其它小飛蟲。在 t = t39。它們相應(yīng)的坐標(biāo)軸 彼此平行， S39。 事件的時(shí)空坐標(biāo) ),(),(tzyxtzyx ????v?4 在兩個(gè)相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系 S和 S39。 O O?x x?y y?z z?),(),(tzyxtzyx ????事件：物體在某一時(shí)刻處于某一位置 物體的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)事件的變動(dòng) 選擇不同的參考系，對(duì)同一事件的描述是不同的。 and z is keeping your mouth shut. Einstein 2 167。1 第八章狹義相對(duì)論 If A is a success in life, then A equals x plus y plus z. Work is x。 y is play。 狹義相對(duì)論基本原理 物理學(xué)的大綜合 J. C. Maxwell (18311879) 力 熱 聲 光 電 磁 經(jīng)典物理學(xué) I. Newton (16421727) 3 ?狹義相對(duì)論以前的力學(xué)和時(shí)空觀 描述物體的運(yùn)動(dòng)需要選擇參考系，并在參考系中建立坐標(biāo)系。 為了簡(jiǎn)單，只考慮兩個(gè)相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系 S和 S39。中， 事件的時(shí)空坐標(biāo)之間有什么關(guān)系？ O O?x x?y y?z z?),(),(tzyxtzyx ????時(shí)間的流逝 在所有參考系中都相同 tt ??經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為 空間的距離在所有參考系中也是相同的 ——絕對(duì)時(shí)空觀 時(shí)間的流逝和空間的度量與物體的運(yùn)動(dòng)沒有任何關(guān)系 ll ??v?5 O O?x x?y y?z z?),(),(tzyxtzyx ????考慮兩個(gè)相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的 參考系 S和 S39。系相對(duì) S系的速度為 v，沿 x軸正方向。 =0時(shí)刻， 兩個(gè)參考系的坐標(biāo)原點(diǎn)重合。艙內(nèi)放一只大水碗，里面放幾條魚。船停 著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內(nèi)各方向飛行，魚向各 個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐子中。當(dāng)你仔細(xì)地觀察 這些事情后，再使船以任何速度前進(jìn)。 8 愛因斯坦把伽利略表達(dá)的意思稱為伽利略相對(duì)性原理 在一個(gè)慣性系的內(nèi)部所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能確定 這一慣性系本身是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)。 一切慣性系中力學(xué)定律都相同 幾種不同的表述，都是等價(jià)的 9 根據(jù)伽利略變換 adtdvdtdvdtdvtdvdtdvdtdvdaaaa zyxzyxzyx?? ?????????????????????????? ,},{即兩個(gè)慣性系中加速度相同。 在兩個(gè)慣性系中力學(xué)運(yùn)動(dòng)基本定律都具有牛頓第二定律的形式 在經(jīng)典力學(xué)中 牛頓第二定律、伽利略變換和伽利略相對(duì)性原理三者是自洽的 伽利略相對(duì)性原理表明不可能用力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng) 不存在絕對(duì)靜止的參考系 運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，但時(shí)間和空間是絕對(duì)的 10 ?電磁場(chǎng)理論建立后呈現(xiàn)的新局面 02222????? Ect E??02222????? Bct B??1865年麥克斯韋建立了描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，它的 一個(gè)重要推論是存在電磁波。系中 在 v方向上電磁波的傳播速度為 cv， 在 v方向上電磁波的傳播速度為 c+v。系中電磁波的傳播速度不再各向同性 S系可以被認(rèn)為是絕對(duì)靜止的，稱為絕對(duì)慣性系，或叫做以太系 其它慣性系相對(duì)它都是運(yùn)動(dòng)的，做絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。 以太風(fēng) 1Mc cv v光在以太系中沿各方向的傳播速度都是 c 在地球參考系中光沿各方向的傳播速度不同 v14 光在 G1M2上來回所需時(shí)間 222112cvclvclvclt??????光在 G1M1上來回所需時(shí)間 2/1222211122????????????cvclvclt相應(yīng)的光程差 2212 )( cvlttctc ??????實(shí)驗(yàn)中將干涉儀繞豎直軸旋轉(zhuǎn) 900，干涉儀的兩條支路地位互換， 滯后的時(shí)間差和光程差改變符號(hào)，結(jié)果引起干涉條紋移動(dòng)。他出生于一個(gè)合適的時(shí)代，當(dāng)物理學(xué)面臨重重 危機(jī)的時(shí)候，他的創(chuàng)造力正處于巔峰，他有機(jī)會(huì)改寫物理學(xué)的進(jìn)程 他有自牛頓時(shí)代以來的獨(dú)一無二的機(jī)遇 拉格朗日：“雖然牛頓確實(shí)是杰出的天才，但我們必須承認(rèn)他也是 最幸運(yùn)的人：人類只有一次機(jī)會(huì)去建立世界的體系。當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家對(duì)這個(gè)題目 也極感興趣。, 18541912)在 1904年的演講“新世紀(jì)的物理學(xué)” 有這樣一段：“根據(jù)相對(duì)原理，物理現(xiàn)象的規(guī)律應(yīng)該是同樣的，無 論是對(duì)于固定不動(dòng)的觀察者，或是對(duì)于做勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者。 僅能作為輔助的數(shù)學(xué)量。 就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)觀察者的時(shí)間。 20 愛因斯坦對(duì)時(shí)空有更自由的眼光 (free perception) 要有自由的眼光，必須能夠同時(shí)近看和遠(yuǎn)看課題 ——楊振寧 龐加勒只有遠(yuǎn)距離的眼光，洛侖茲只有近距離的眼光。 關(guān)于廣義相對(duì)論，愛因斯坦沒有抓住什么機(jī)遇，他創(chuàng)造了這個(gè)機(jī)遇 21 ?愛因斯坦的選擇 面對(duì)伽利略變換、相對(duì)性原理和麥克斯韋電磁理論三者之間的 矛盾，存在三種選擇： （ 1）相對(duì)性原理只適用于力學(xué)，不適用于電磁學(xué) （ 2）麥克斯韋電磁理論還不夠完善 （ 3）麥克斯韋電磁理論是正確的，相對(duì)性原理是適用于 力學(xué)和電磁學(xué)的普遍原理，而伽利略變換必須拋棄。 馬赫的思想：“凡不能由實(shí)驗(yàn)證實(shí)的概念和陳述 都不應(yīng)在物理學(xué)中占有任何地位。一切慣性系對(duì)物理規(guī)律來說都是等價(jià)的。 相對(duì)論時(shí)空度量的相對(duì)性 167。 根據(jù)狹義相對(duì)論，同時(shí)是相對(duì)的 在一個(gè)慣性系看來兩個(gè)異地事件是同時(shí)發(fā)生的， 而在另一個(gè)慣性系看來它們不是同時(shí)發(fā)生的。 時(shí)空度量的相對(duì)性 ?各慣性系中的時(shí)空度量 慣性系 S的空間位置用直尺進(jìn)行度量，度量時(shí)，直尺須相對(duì) S系靜止 相鄰兩次度量之間，直尺必定處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系后，即為 S39。 25 時(shí)鐘零點(diǎn)的校準(zhǔn) 有一種簡(jiǎn)單方法來校準(zhǔn)異地的時(shí)鐘：利用光信號(hào)的傳播 中央的時(shí)鐘向鄰近的時(shí)鐘發(fā)射光信號(hào)，可校準(zhǔn)同步所有時(shí)鐘。 時(shí)鐘計(jì)時(shí)率的校準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘 待校準(zhǔn)的時(shí)鐘 AtBtAt?待校準(zhǔn)的時(shí)鐘讀數(shù)應(yīng)為 ? ?AAAB tttt ????2127 Wireless GPS Synchronized Clock Syste