第十五章狹義相對(duì)論2013zhou

1、2022-5-3 近代物理學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)而言的，近代物理學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)而言的，相對(duì)相對(duì)論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱，論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱，也也是許多基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)的基礎(chǔ)。是許多基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)的基礎(chǔ)。 相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論局限于慣性參照系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論，局限于慣性參照系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論，推廣到一般參照系包括引力場(chǎng)在內(nèi)的相對(duì)論推廣到一般參照系包括引力場(chǎng)在內(nèi)的相對(duì)論稱為廣義相對(duì)論。稱為廣義相對(duì)論。本篇主要介紹狹義相對(duì)論和量本篇主要介紹狹義相對(duì)論和量子力學(xué)簡(jiǎn)介。子力學(xué)簡(jiǎn)介。X射線、放射性射線和電子，是射線、放射性

2、射線和電子，是19世紀(jì)末物理世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)，三大發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)致經(jīng)典物理學(xué)學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)，三大發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)致經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的重要因素。它們與危機(jī)的重要因素。它們與“兩朵烏云兩朵烏云”-“以太漂移的零結(jié)果以太漂移的零結(jié)果”和和“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”的解的解決，打開了通往微觀世界的大門，引發(fā)了物決，打開了通往微觀世界的大門，引發(fā)了物理學(xué)的深刻變革，誕生了近代物理學(xué)。理學(xué)的深刻變革，誕生了近代物理學(xué)。2022-5-3第十五章第十五章 狹義相對(duì)論基礎(chǔ)狹義相對(duì)論基礎(chǔ)15-6 相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)15-5 洛倫茲變換洛倫茲變換 15-4 狹義相對(duì)論時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀15-3 愛因斯坦假設(shè)愛因斯坦

3、假設(shè)15-2 以太漂移以太漂移 邁克耳孫邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)15-1 伽利略相對(duì)性原理伽利略相對(duì)性原理 經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 伽利略變換伽利略變換1.1.了解產(chǎn)生背景，理解其基本原理，理解牛頓力了解產(chǎn)生背景，理解其基本原理，理解牛頓力學(xué)時(shí)空觀和狹義相對(duì)論時(shí)空觀及二者的關(guān)系學(xué)時(shí)空觀和狹義相對(duì)論時(shí)空觀及二者的關(guān)系2.2.掌握洛侖茲變換，理解同時(shí)的相對(duì)性、長度收掌握洛侖茲變換，理解同時(shí)的相對(duì)性、長度收縮、時(shí)間膨脹的概念縮、時(shí)間膨脹的概念3.3.理解質(zhì)量和能量的關(guān)系，并能用以分析計(jì)算有理解質(zhì)量和能量的關(guān)系，并能用以分析計(jì)算有關(guān)的簡(jiǎn)單問題關(guān)的簡(jiǎn)單問題19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了

4、很世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律光、聲等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之當(dāng)時(shí)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。中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。十九十

5、九 世紀(jì)末，以經(jīng)典力學(xué)、電磁場(chǎng)理世紀(jì)末，以經(jīng)典力學(xué)、電磁場(chǎng)理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為主要支柱，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為主要支柱，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了完整、系統(tǒng)和成熟的階段。不少物理學(xué)家認(rèn)為：了完整、系統(tǒng)和成熟的階段。不少物理學(xué)家認(rèn)為： 物理學(xué)的大廈已經(jīng)基本建成，物理學(xué)理論上物理學(xué)的大廈已經(jīng)基本建成，物理學(xué)理論上的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)得到解決，接的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)得到解決，接近于采取最終穩(wěn)定的形式。今后的任務(wù)只是進(jìn)一近于采取最終穩(wěn)定的形式。今后的任務(wù)只是進(jìn)一步精確化的問題。也許，在某個(gè)角落還有一粒塵步精確化的問題。也許，在某個(gè)角落還有一粒塵屑或小氣泡，可以對(duì)它們進(jìn)行研究和分類。

6、屑或小氣泡，可以對(duì)它們進(jìn)行研究和分類。 于是于是1900年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到：學(xué)的發(fā)展的文章中說到：也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處

7、，還有兩朵令人不安的烏云，兩朵令人不安的烏云，-” “在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，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后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。修補(bǔ)工作就行了。” 開爾文開爾文 這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？熱輻射實(shí)驗(yàn)熱輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，降下了二十世紀(jì)物理學(xué)革命的暴風(fēng)雨命的風(fēng)暴，降下了二十世紀(jì)物理學(xué)革命的暴風(fēng)雨.烏烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學(xué)的誕生普朗克量子力

8、學(xué)的誕生相對(duì)論問世相對(duì)論問世這兩朵烏云到底是什么回事呢？這兩朵烏云到底是什么回事呢？相對(duì)論誕生相對(duì)論誕生量子論誕生量子論誕生相對(duì)論和量子論是現(xiàn)代科學(xué)與文明的兩大基石相對(duì)論和量子論是現(xiàn)代科學(xué)與文明的兩大基石愛因斯坦愛因斯坦(1905)普朗克普朗克(1900)玻爾玻爾(1912) 牛頓力學(xué)只適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)只適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)的物體則要用相對(duì)論力學(xué)。高速運(yùn)動(dòng)的物體則要用相對(duì)論力學(xué)。 量子力學(xué)量子力學(xué)相對(duì)論相對(duì)論微觀領(lǐng)域微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域高速領(lǐng)域一一. 伽利略伽利略變換變換 事件的描述事件的描述 發(fā)生地點(diǎn)為發(fā)生地點(diǎn)為(x,y,z)和發(fā)生時(shí)刻為和發(fā)生時(shí)刻為t ， 在一個(gè)

9、參考系中要用四個(gè)坐標(biāo)在一個(gè)參考系中要用四個(gè)坐標(biāo)(x,y,z,t)描述。描述。 事件事件 某一時(shí)刻在空間某一點(diǎn)發(fā)生的某一現(xiàn)象某一時(shí)刻在空間某一點(diǎn)發(fā)生的某一現(xiàn)象事件事件 1事件事件 2發(fā)射炮彈發(fā)射炮彈擊中目標(biāo)擊中目標(biāo)(x1, y1, z1)(x2, y2, z2)tt1t2xyz空間坐標(biāo)空間坐標(biāo) 兩個(gè)觀察者所用的時(shí)鐘兩個(gè)觀察者所用的時(shí)鐘校準(zhǔn)過，快慢相同；米尺比校準(zhǔn)過，快慢相同；米尺比較過，長度相同。較過，長度相同。xyx x y y 0 t0 tOO O t t兩個(gè)參考系原點(diǎn)重兩個(gè)參考系原點(diǎn)重合時(shí)開始計(jì)時(shí)合時(shí)開始計(jì)時(shí)uu地面坐地面坐標(biāo)系標(biāo)系 S運(yùn)動(dòng)坐運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系標(biāo)系 S地面觀察者地面觀察者車上觀察者

10、車上觀察者事件事件信號(hào)信號(hào)燈亮燈亮在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件設(shè)設(shè)S系和系和S 系都是慣性參照系，系都是慣性參照系， S 系相對(duì)于系相對(duì)于S系沿系沿X軸以軸以速度速度 u 運(yùn)動(dòng)，為了簡(jiǎn)單起見，設(shè)運(yùn)動(dòng)，為了簡(jiǎn)單起見，設(shè)X與與X 軸在同一直線上，軸在同一直線上，并且都指向并且都指向u的方向，的方向， Y 、Z 分別與分別與Y、Z平行，開始時(shí)平行，開始時(shí) O 和和 O 重合。現(xiàn)在，在兩個(gè)坐標(biāo)系中描述重合?，F(xiàn)在，在兩個(gè)坐標(biāo)系中描述P點(diǎn)的時(shí)空坐點(diǎn)的時(shí)空坐標(biāo)分別為（標(biāo)分別為（x，y，z，t）和和（x ，y ，z ，t ）.xyx x y y 0 t0 tOO O t t兩個(gè)

11、參考系原點(diǎn)兩個(gè)參考系原點(diǎn)重合時(shí)開始計(jì)時(shí)重合時(shí)開始計(jì)時(shí)uu地面坐地面坐標(biāo)系標(biāo)系 S運(yùn)動(dòng)坐運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系標(biāo)系 S地面觀察者地面觀察者車上觀察者車上觀察者事件事件信號(hào)信號(hào)燈亮燈亮S 系系S系系x O z y P（ x，y，z，t） （x ，y ，z ，t ）yzOurrx它們之間滿足如下關(guān)系：它們之間滿足如下關(guān)系：兩個(gè)觀察者所測(cè)得同一事件的時(shí)間坐標(biāo)關(guān)系為兩個(gè)觀察者所測(cè)得同一事件的時(shí)間坐標(biāo)關(guān)系為空間坐標(biāo)關(guān)系為空間坐標(biāo)關(guān)系為tt zzyyutxx ttzzyyutxx伽利略變換伽利略變換ttzzyyutxx伽利略逆變換伽利略逆變換伽利略變換的矢量形式為：伽利略變換的矢量形式為：ttturrttturr或或二

12、、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀二、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀S系中測(cè)得：系中測(cè)得： 212212212)()()(zzyyxxl 1.1.同一物體的長度同一物體的長度棒長為棒長為 l ，靜止放在靜止放在S系中。分別在系中。分別在S系和系和S 系中測(cè)量其長度。系中測(cè)量其長度。 uS 系系S系系xx Oz y yzOlxS 系中測(cè)得：系中測(cè)得：lzzyyxxzzyyutxutxzzyyxxl 212212212212212212212212212)()()()()()()()()(uS 系系S系系xx Oz y yzOlx 由上面結(jié)果可見在一切慣性系中測(cè)得的長度都由上面結(jié)果可見在一切慣性系中測(cè)得的長度都是相同的，即是相同的

13、，即空間間隔是絕對(duì)的空間間隔是絕對(duì)的,與參照系無關(guān)與參照系無關(guān)。2.2.兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔時(shí)間間隔是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)時(shí)間間隔是絕對(duì)的，與參考系無關(guān) 兩事件發(fā)生的時(shí)刻，兩事件發(fā)生的時(shí)刻，S 系中測(cè)得為系中測(cè)得為t1和和t2， S系中測(cè)得為系中測(cè)得為t1和和t2，根據(jù)伽利略變換，根據(jù)伽利略變換11tt 22tt 1212tttt 因此得因此得在同一地點(diǎn)發(fā)生的同一過程所經(jīng)歷的時(shí)在同一地點(diǎn)發(fā)生的同一過程所經(jīng)歷的時(shí)間在不同慣性系中測(cè)量是一樣的。間在不同慣性系中測(cè)量是一樣的。同時(shí)是絕對(duì)的同時(shí)是絕對(duì)的-兩件事在一慣性系中是同時(shí)兩件事在一慣性系中是同時(shí)發(fā)生的發(fā)生的，則在另一個(gè)慣性系中

14、也是同時(shí)的則在另一個(gè)慣性系中也是同時(shí)的空間間隔是絕對(duì)的空間間隔是絕對(duì)的,與參照系無關(guān)與參照系無關(guān);時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量也是絕對(duì)的，即時(shí)間是絕對(duì)的，時(shí)間間隔也是絕也是絕對(duì)的，即時(shí)間是絕對(duì)的，時(shí)間間隔也是絕對(duì)的，也與參照系無關(guān)對(duì)的，也與參照系無關(guān);質(zhì)量也是絕對(duì)的。經(jīng)典力質(zhì)量也是絕對(duì)的。經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，它們毫不相關(guān)、相學(xué)的時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，它們毫不相關(guān)、相互獨(dú)立互獨(dú)立。這樣的時(shí)空觀叫絕對(duì)時(shí)空觀。這樣的時(shí)空觀叫絕對(duì)時(shí)空觀。時(shí)間時(shí)間-空間空間 時(shí)時(shí) 間間-物質(zhì)物質(zhì) 時(shí)間時(shí)間-運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)空間空間-物質(zhì)物質(zhì) 空間空間-運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)所有二者之間所有二者之間都是無關(guān)的。都是無關(guān)的。時(shí)空的絕

15、對(duì)的觀念！時(shí)空的絕對(duì)的觀念！是人們?cè)诘退贄l件下生活在頭腦中是人們?cè)诘退贄l件下生活在頭腦中的反映。的反映。用牛頓的話來說用牛頓的話來說:“絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間,就其本質(zhì)就其本質(zhì)而言而言,是永遠(yuǎn)均勻地流逝著是永遠(yuǎn)均勻地流逝著,與任何外界事物無關(guān)與任何外界事物無關(guān).”“絕絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言是與任何外界事物無關(guān)的對(duì)空間就其本質(zhì)而言是與任何外界事物無關(guān)的,它從它從不運(yùn)動(dòng)不運(yùn)動(dòng),并且永遠(yuǎn)不變并且永遠(yuǎn)不變.”這就是經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀這就是經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀.按按照這種觀點(diǎn)照這種觀點(diǎn),時(shí)間和空間是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)、并時(shí)間和空間是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)、并且獨(dú)立于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之外的（不受物質(zhì)或運(yùn)動(dòng)

16、的影且獨(dú)立于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之外的（不受物質(zhì)或運(yùn)動(dòng)的影響的）某種東西。這種絕對(duì)時(shí)空觀可以形象地比擬響的）某種東西。這種絕對(duì)時(shí)空觀可以形象地比擬如下：如下：把空間比作盛有宇宙萬物的一個(gè)無形的永不把空間比作盛有宇宙萬物的一個(gè)無形的永不運(yùn)動(dòng)的框架，而把時(shí)間比作獨(dú)立的不斷流逝著的流運(yùn)動(dòng)的框架，而把時(shí)間比作獨(dú)立的不斷流逝著的流水。水。 牛頓力學(xué)定律在所有慣性系中都相同，即對(duì)于任牛頓力學(xué)定律在所有慣性系中都相同，即對(duì)于任意的慣性系，牛頓力學(xué)的定律具有相同的形式意的慣性系，牛頓力學(xué)的定律具有相同的形式力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)相對(duì)性原理:在所有慣性系中力學(xué)定律具有相在所有慣性系中力學(xué)定律具有相同的形式。同的形式。（即在研

17、究力學(xué)規(guī)律時(shí)，所有慣性系都是等價(jià)的）（即在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)，所有慣性系都是等價(jià)的）aa 根據(jù)伽利略根據(jù)伽利略變換可以證明：質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于變換可以證明：質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于 系的系的加速度與相對(duì)于加速度與相對(duì)于 系的加速度相等系的加速度相等SS 三三. 伽利略相對(duì)性原理伽利略相對(duì)性原理(力學(xué)力學(xué)相對(duì)性原理相對(duì)性原理)可由伽利略變換證明力學(xué)的相對(duì)性原理可由伽利略變換證明力學(xué)的相對(duì)性原理由伽利略變換導(dǎo)出速度變換法則由伽利略變換導(dǎo)出速度變換法則牽牽連連絕絕對(duì)對(duì)相相對(duì)對(duì)對(duì)對(duì)物物對(duì)對(duì)物物對(duì)對(duì)即即vvvvvvvvvvvv SSSzzyyxxdtdztdzdzzdtdytdydyyuudtdxtdxdutxxSmm 經(jīng)典力學(xué)

18、中認(rèn)為質(zhì)量經(jīng)典力學(xué)中認(rèn)為質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)與運(yùn)動(dòng)無關(guān),是常量是常量amF amF 所以牛頓第二定律在所以牛頓第二定律在 系中與在系中與在 系中的形式相同系中的形式相同S SFF 質(zhì)點(diǎn)所受作用力在質(zhì)點(diǎn)所受作用力在 系中與在系中與在 系中的相等系中的相等S S牛頓第二定律在伽利略變換下形式不變。牛頓第二定律在伽利略變換下形式不變。質(zhì)點(diǎn)的加速度質(zhì)點(diǎn)的加速度aadtdt dd vv即質(zhì)點(diǎn)的加速度在伽利略變換下是不變量。即質(zhì)點(diǎn)的加速度在伽利略變換下是不變量。在牛頓力學(xué)中在牛頓力學(xué)中力與參考系無關(guān)力與參考系無關(guān)同理，牛頓第一定律和第三定律在所有慣性系中同理，牛頓第一定律和第三定律在所有慣性系中都具有相同的形式

19、，由牛頓定律推導(dǎo)出來的其它都具有相同的形式，由牛頓定律推導(dǎo)出來的其它力學(xué)定律也必然在所有慣性系中都具有相同的形力學(xué)定律也必然在所有慣性系中都具有相同的形式。式。 即在所有慣性系中力學(xué)定律都具有相同的即在所有慣性系中力學(xué)定律都具有相同的形式，或者說在伽利略變換下形式不變。形式，或者說在伽利略變換下形式不變。 力學(xué)相對(duì)性的思想最初是由伽利略明確地說力學(xué)相對(duì)性的思想最初是由伽利略明確地說明的明的.在在1632年出版的名著年出版的名著 關(guān)于托勒密和哥關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話白尼兩大世界體系的對(duì)話 中首先表述的中首先表述的. .反反對(duì)日心說的人問到對(duì)日心說的人問到: :如果地球是高速運(yùn)動(dòng)如果

20、地球是高速運(yùn)動(dòng), ,為為什么在地面上的人一點(diǎn)也感覺不出來呢什么在地面上的人一點(diǎn)也感覺不出來呢? ?伽利略為了解釋地球的表觀上的靜止伽利略為了解釋地球的表觀上的靜止,他曾以大船做他曾以大船做比喻比喻,生動(dòng)地指出生動(dòng)地指出:在在“以任何速度前進(jìn)以任何速度前進(jìn),只要運(yùn)動(dòng)是勻只要運(yùn)動(dòng)是勻速的速的,同時(shí)也不這樣那樣擺動(dòng)同時(shí)也不這樣那樣擺動(dòng)”的大船船倉內(nèi)的大船船倉內(nèi),觀察各觀察各種力學(xué)現(xiàn)象種力學(xué)現(xiàn)象,如人的跳躍如人的跳躍,拋物拋物,水滴的下落水滴的下落,魚的游動(dòng)魚的游動(dòng),甚至蝴蝶和蒼蠅的飛行等等甚至蝴蝶和蒼蠅的飛行等等,你會(huì)發(fā)現(xiàn)你會(huì)發(fā)現(xiàn),它們都會(huì)和船它們都會(huì)和船靜止不動(dòng)時(shí)一樣發(fā)生靜止不動(dòng)時(shí)一樣發(fā)生,人們并

21、不能從這些現(xiàn)象來判斷人們并不能從這些現(xiàn)象來判斷大船是否在運(yùn)動(dòng)大船是否在運(yùn)動(dòng).伽利略伽利略兩大世界體系的對(duì)話兩大世界體系的對(duì)話（16321632年）年）u薩爾維阿蒂的大船薩爾維阿蒂的大船跳向船尾跳向船尾不不會(huì)比跳向船會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)頭來得遠(yuǎn)蝴蝶和蒼蝴蝶和蒼蠅隨便地蠅隨便地到處飛行到處飛行水滴入罐，不水滴入罐，不會(huì)滴向船尾會(huì)滴向船尾魚在碗中魚在碗中悠悠閑地游動(dòng)閑地游動(dòng) 你無法從其中發(fā)生的任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)你無法從其中發(fā)生的任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)動(dòng)還是停著不動(dòng)伽利略伽利略相對(duì)性原理相對(duì)性原理在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)（如一條封閉的船艙里），（如一條封閉的船艙里）

22、，人們不能人們不能根據(jù)所發(fā)生的任何力學(xué)現(xiàn)象來判斷所處系統(tǒng)是靜止的還根據(jù)所發(fā)生的任何力學(xué)現(xiàn)象來判斷所處系統(tǒng)是靜止的還是作勻速直線運(yùn)動(dòng)。是作勻速直線運(yùn)動(dòng)。 如：在靜止的船上你能跳三米遠(yuǎn)，在勻速運(yùn)動(dòng)的船上如：在靜止的船上你能跳三米遠(yuǎn)，在勻速運(yùn)動(dòng)的船上也能跳三米遠(yuǎn)。無論你是向著船頭、還是向著船尾跳，也能跳三米遠(yuǎn)。無論你是向著船頭、還是向著船尾跳，盡管你在空中時(shí)船仍在運(yùn)動(dòng)。盡管你在空中時(shí)船仍在運(yùn)動(dòng)。 水在靜止的船上豎直下落，在勻速運(yùn)動(dòng)的船上也同樣水在靜止的船上豎直下落，在勻速運(yùn)動(dòng)的船上也同樣豎直下落，盡管水在空中時(shí)船仍在運(yùn)動(dòng)，水決不會(huì)有一豎直下落，盡管水在空中時(shí)船仍在運(yùn)動(dòng)，水決不會(huì)有一滴落到容器之外。滴

23、落到容器之外。 在所有慣性系里，一切力學(xué)現(xiàn)象在相同的條件下進(jìn)行在所有慣性系里，一切力學(xué)現(xiàn)象在相同的條件下進(jìn)行的過程都相同；力學(xué)規(guī)律都同樣成立，起同樣的支配作的過程都相同；力學(xué)規(guī)律都同樣成立，起同樣的支配作用。用。（1）運(yùn)動(dòng)方程中的質(zhì)量）運(yùn)動(dòng)方程中的質(zhì)量m是不變的（不因運(yùn)是不變的（不因運(yùn)動(dòng)而有所改變）。動(dòng)而有所改變）。（2）力學(xué)規(guī)律對(duì)任何慣性系都是不變的。）力學(xué)規(guī)律對(duì)任何慣性系都是不變的。 力學(xué)中已知牛頓定律適用的參照系稱為慣力學(xué)中已知牛頓定律適用的參照系稱為慣性系，凡是對(duì)已知慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的性系，凡是對(duì)已知慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系都是慣性系。所以參照系都是慣性系。所以 在任何慣性系中

24、力在任何慣性系中力學(xué)定律都具有相同的形式。學(xué)定律都具有相同的形式。這就是力學(xué)的相這就是力學(xué)的相對(duì)性原理。對(duì)性原理。牛頓力學(xué)的動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)：牛頓力學(xué)的動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)：四、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀遇到的困難四、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀遇到的困難電磁現(xiàn)象不滿足力學(xué)相對(duì)性原理電磁現(xiàn)象不滿足力學(xué)相對(duì)性原理:cscs伽利略變換：伽利略變換：ucc 與參照系無關(guān)。與參照系無關(guān)。、0000,1 c經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致了光速不變性與速度經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致了光速不變性與速度相加原理的矛盾。相加原理的矛盾。電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略變換電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略變換實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：電子的慣性質(zhì)量隨電子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：電子的慣性質(zhì)量隨電子的運(yùn)動(dòng)速

25、度的增加而增加。運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加?！耙蕴埔蕴啤钡牡摹傲憬Y(jié)果零結(jié)果”和黑體輻射研和黑體輻射研究中的究中的“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”形成了經(jīng)典物理學(xué)上形成了經(jīng)典物理學(xué)上空的空的“兩朵烏云兩朵烏云”尋找尋找“以太以太”的邁克爾遜的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)給莫雷實(shí)驗(yàn)給出否定結(jié)果。出否定結(jié)果。一一.時(shí)代背景時(shí)代背景自牛頓定律建立起來以后，人們成功地解釋了自牛頓定律建立起來以后，人們成功地解釋了力、熱、電、光、聲等現(xiàn)象，牛頓定律已達(dá)到力、熱、電、光、聲等現(xiàn)象，牛頓定律已達(dá)到了登峰造極的程度，了登峰造極的程度，人們對(duì)牛頓定律可以說是人們對(duì)牛頓定律可以說是已經(jīng)達(dá)到了頂禮模拜、乃至迷信的程度已經(jīng)達(dá)到了頂禮模拜、

26、乃至迷信的程度。普遍。普遍認(rèn)為牛頓定律是萬能的。認(rèn)為牛頓定律是萬能的。 19世紀(jì)世紀(jì)60年代麥克斯韋建立了解釋電磁現(xiàn)年代麥克斯韋建立了解釋電磁現(xiàn)象的方程象的方程-Maxwell Eqution。并導(dǎo)出了電磁并導(dǎo)出了電磁波的方程。波的方程。 2222222221tECzEyExE15 - 2 邁克爾遜邁克爾遜 - 莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)2222222221tECzEyExE2222222221tHCzHyHxH式中：式中：C為真空中的光速為真空中的光速smC/100 . 31800由麥克斯韋的光的電磁波理論知道，光在真空中由麥克斯韋的光的電磁波理論知道，光在真空中沿各個(gè)方向傳播的速度都等于沿各個(gè)方向傳

27、播的速度都等于C=3 108 m/s 。如果光的傳播定律在一個(gè)參照系中成立，那如果光的傳播定律在一個(gè)參照系中成立，那么從經(jīng)典的速度變換公式可以看出，在對(duì)這么從經(jīng)典的速度變換公式可以看出，在對(duì)這個(gè)參照系作勻速運(yùn)動(dòng)的一切慣性系里，光的個(gè)參照系作勻速運(yùn)動(dòng)的一切慣性系里，光的傳播定律就不再成立，沿各個(gè)方向的光速就傳播定律就不再成立，沿各個(gè)方向的光速就不再相等，而是不再相等，而是 了。了。)(c v如何看待這個(gè)電磁波和光速呢？由于牛頓定律如何看待這個(gè)電磁波和光速呢？由于牛頓定律在人們頭腦中的統(tǒng)治地位。人們很自然地要與在人們頭腦中的統(tǒng)治地位。人們很自然地要與曾用牛頓定律成功解釋過的機(jī)械波來類比。曾用牛頓定

28、律成功解釋過的機(jī)械波來類比。機(jī)械波機(jī)械波電磁波電磁波(光）光）1）依靠彈性媒質(zhì)傳播，）依靠彈性媒質(zhì)傳播，其波速由彈性模量和其波速由彈性模量和媒質(zhì)密度決定。媒質(zhì)密度決定。Bu 如聲波在空氣中傳播如聲波在空氣中傳播2）波速是相對(duì)于和）波速是相對(duì)于和靜止媒質(zhì)保持相對(duì)靜靜止媒質(zhì)保持相對(duì)靜止的參照系的波速。止的參照系的波速。1）依靠彌漫宇宙的）依靠彌漫宇宙的“以太以太”（Aether）傳傳播。播。GC C很大，故很大，故“以太以太”應(yīng)應(yīng)比鋼還硬且星體在其比鋼還硬且星體在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)要暢行無阻。中運(yùn)動(dòng)時(shí)要暢行無阻。2）C是相對(duì)是相對(duì)“以太以太”參照系的速度參照系的速度“以太以太”是宇宙間的是宇宙間的絕對(duì)靜止

29、參照絕對(duì)靜止參照 系。系。絕對(duì)靜止絕對(duì)靜止的的“以太以太”參照系參照系“以太以太”必須絕對(duì)靜止；彌漫于整個(gè)宇宙空間必須絕對(duì)靜止；彌漫于整個(gè)宇宙空間它既是極輕的極稀薄的流體它既是極輕的極稀薄的流體(密度極小密度極小)，對(duì)天，對(duì)天體運(yùn)行毫無阻力，又要具有彈性模量比鋼還大體運(yùn)行毫無阻力，又要具有彈性模量比鋼還大的固體彈性的固體彈性(切變彈性模量比鋼還大切變彈性模量比鋼還大)，以便傳，以便傳播橫波播橫波. 按照以上分析，按照以上分析，Maxwell方程只對(duì)絕對(duì)方程只對(duì)絕對(duì)靜止的靜止的“以太以太”參照系成立，并且依照參照系成立，并且依照“GT”，在不同的參照系中應(yīng)測(cè)出不同的光在不同的參照系中應(yīng)測(cè)出不同的

30、光速。這意味著宇宙間存在一特殊的參照系速。這意味著宇宙間存在一特殊的參照系-以太參照系以太參照系，在這個(gè)參照系中光速是，在這個(gè)參照系中光速是C，其其它慣性系中將測(cè)出不同的光速。它慣性系中將測(cè)出不同的光速。在所有慣性系里，只有一個(gè)參照系光的傳播定在所有慣性系里，只有一個(gè)參照系光的傳播定律成立，這個(gè)參照系是一個(gè)律成立，這個(gè)參照系是一個(gè)“絕對(duì)靜止絕對(duì)靜止”的參的參照系，用它描述的運(yùn)動(dòng)則是照系，用它描述的運(yùn)動(dòng)則是“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”， 但是僅僅這樣認(rèn)為還是不行的，因?yàn)榈莾H僅這樣認(rèn)為還是不行的，因?yàn)槲镂锢韺W(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。只有用實(shí)驗(yàn)證明了。只有用實(shí)驗(yàn)證明了這一觀點(diǎn)，才能算真正找到了這

31、個(gè)絕對(duì)靜這一觀點(diǎn)，才能算真正找到了這個(gè)絕對(duì)靜止的參照系。止的參照系。 而且如果真正找到了這個(gè)絕對(duì)靜止的參照系，而且如果真正找到了這個(gè)絕對(duì)靜止的參照系，那么物質(zhì)世界的圖象更清楚了那么物質(zhì)世界的圖象更清楚了-所有的物質(zhì)都所有的物質(zhì)都是在這絕對(duì)靜止的參照系中作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)是在這絕對(duì)靜止的參照系中作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)宇宙是一個(gè)充滿宇宙是一個(gè)充滿“以太以太”的絕對(duì)空間。的絕對(duì)空間。依據(jù)運(yùn)動(dòng)的依據(jù)運(yùn)動(dòng)的 相對(duì)性，物體在絕對(duì)靜止的相對(duì)性，物體在絕對(duì)靜止的“以太以太”中運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于中運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于“以太以太”相對(duì)于物體漂移，運(yùn)相對(duì)于物體漂移，運(yùn)動(dòng)物體就受到了與其運(yùn)動(dòng)方向相反的動(dòng)物體就受到了與其運(yùn)動(dòng)方向相反的“

32、以太風(fēng)以太風(fēng)”。地球繞著太陽在真空（靜止以太）中運(yùn)動(dòng)，其。地球繞著太陽在真空（靜止以太）中運(yùn)動(dòng)，其速度為每秒速度為每秒30公里，自然應(yīng)探測(cè)到公里，自然應(yīng)探測(cè)到“以太以太”對(duì)于對(duì)于地球的漂移，測(cè)定地球的漂移，測(cè)定“以太以太”漂移成了物理學(xué)家探漂移成了物理學(xué)家探索與研究索與研究“以太以太”的新途徑。的新途徑。當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家都力圖證實(shí)這個(gè)絕對(duì)靜止當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家都力圖證實(shí)這個(gè)絕對(duì)靜止 的參照系，而結(jié)果呢？大家費(fèi)了九牛二虎的參照系，而結(jié)果呢？大家費(fèi)了九牛二虎之力，這種參照系卻沒有找到，卻為相對(duì)之力，這種參照系卻沒有找到，卻為相對(duì)論的產(chǎn)生提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)都是論的產(chǎn)生提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)都是一些

33、電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，一些電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，其中最出名的是其中最出名的是邁克爾遜邁克爾遜-莫雷（莫雷（Amichelson-Morley）實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)大致思路是：光對(duì)以太的速度為其實(shí)驗(yàn)大致思路是：光對(duì)以太的速度為C，地球在以地球在以太系中運(yùn)動(dòng)，依伽俐略速度變換：地球上測(cè)出的光速太系中運(yùn)動(dòng)，依伽俐略速度變換：地球上測(cè)出的光速不是不是C而是另一值。而是另一值。uc uc 測(cè)得為：測(cè)得為：測(cè)得為：測(cè)得為：正如順風(fēng)與頂風(fēng)騎自行車感覺風(fēng)速不一樣。正如順風(fēng)與頂風(fēng)騎自行車感覺風(fēng)速不一樣。uCuC如果地球相對(duì)如果地球相對(duì)“以太以太”的運(yùn)動(dòng)速度水平方向?yàn)榈倪\(yùn)動(dòng)速度水平方向?yàn)?u ，由經(jīng)由經(jīng)典的速度變換公式，光

34、相對(duì)于地球的速度典的速度變換公式，光相對(duì)于地球的速度 v = c u 。如果能測(cè)出光相對(duì)于地球的速度如果能測(cè)出光相對(duì)于地球的速度 v ，就能算出地球相就能算出地球相對(duì)于對(duì)于“以太以太”的速度的速度 u ，這樣就可以找到這樣就可以找到“絕對(duì)參絕對(duì)參照系照系”了?；谶@種思想，邁克爾遜了?；谶@種思想，邁克爾遜 - 莫雷兩人設(shè)計(jì)莫雷兩人設(shè)計(jì)了他們的實(shí)驗(yàn)。了他們的實(shí)驗(yàn)。邁克爾遜干涉儀是通過干涉的辦法通過干涉條紋的移動(dòng)邁克爾遜干涉儀是通過干涉的辦法通過干涉條紋的移動(dòng)來測(cè)量光速的。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有看到預(yù)期的條紋移動(dòng)。來測(cè)量光速的。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有看到預(yù)期的條紋移動(dòng)。干涉儀是精度很高的儀器干涉儀是精度很高

35、的儀器 ，這一結(jié)果只能得出光沿任，這一結(jié)果只能得出光沿任何方向傳播時(shí)光速都是一樣的結(jié)論。何方向傳播時(shí)光速都是一樣的結(jié)論。這結(jié)果正于人們順這結(jié)果正于人們順風(fēng)騎自行車與頂風(fēng)騎自行車時(shí)感覺到的風(fēng)速是相同的一風(fēng)騎自行車與頂風(fēng)騎自行車時(shí)感覺到的風(fēng)速是相同的一樣。不合人們的邏輯，稱之為實(shí)驗(yàn)的負(fù)結(jié)果。使人大吃樣。不合人們的邏輯，稱之為實(shí)驗(yàn)的負(fù)結(jié)果。使人大吃一驚！一驚！這意味著經(jīng)典物理學(xué)出了問題，意味著什么絕對(duì)這意味著經(jīng)典物理學(xué)出了問題，意味著什么絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、伽利略變換等等都是胡言亂語。時(shí)間、絕對(duì)空間、伽利略變換等等都是胡言亂語。就像一朵烏云一樣遮住了物理學(xué)晴朗的天空。就像一朵烏云一樣遮住了物理學(xué)晴朗

36、的天空。 一部分人感到沮喪，我們頂禮模拜的牛頓一部分人感到沮喪，我們頂禮模拜的牛頓定律盡然不靈了，這定律盡然不靈了，這豈不是科學(xué)的毀滅嗎豈不是科學(xué)的毀滅嗎!實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光的傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光的傳播規(guī)律用經(jīng)典的時(shí)空觀播規(guī)律用經(jīng)典的時(shí)空觀得到的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)得到的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。即經(jīng)典時(shí)空觀在不符。即經(jīng)典時(shí)空觀在邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中失莫雷實(shí)驗(yàn)中失敗了。敗了。有一部分人不相信實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，繼續(xù)有一部分人不相信實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備作實(shí)驗(yàn)。而且春天作了夏改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備作實(shí)驗(yàn)。而且春天作了夏天作，秋天作了冬天作；平地作了高山天作，秋天作了冬天作；平地作了高山作作實(shí)驗(yàn)精度越來越高，能作

37、實(shí)驗(yàn)的人實(shí)驗(yàn)精度越來越高，能作實(shí)驗(yàn)的人越來越多，乃至幾乎每個(gè)大學(xué)都能作，越來越多，乃至幾乎每個(gè)大學(xué)都能作，但結(jié)果仍然一樣，地球上的光速與地球但結(jié)果仍然一樣，地球上的光速與地球速度無關(guān)。速度無關(guān)。面對(duì)這種情況，一些有頭面對(duì)這種情況，一些有頭腦的科學(xué)家進(jìn)行了各方面腦的科學(xué)家進(jìn)行了各方面的猜測(cè)：有人提出光速是的猜測(cè)：有人提出光速是相對(duì)光源的速度，正象子相對(duì)光源的速度，正象子彈的速度是相對(duì)槍口的速彈的速度是相對(duì)槍口的速度一樣，用地球上的光源度一樣，用地球上的光源作實(shí)驗(yàn)當(dāng)然不變。作實(shí)驗(yàn)當(dāng)然不變。但是這但是這又被天文上的雙星實(shí)驗(yàn)所又被天文上的雙星實(shí)驗(yàn)所否定。否定。 CABABv cv cfv從從f點(diǎn)發(fā)出的

38、光的光速為點(diǎn)發(fā)出的光的光速為v c 因星星離我們很遠(yuǎn)，就可能出因星星離我們很遠(yuǎn)，就可能出現(xiàn)當(dāng)從現(xiàn)當(dāng)從e點(diǎn)發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí)，點(diǎn)發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí)，f點(diǎn)發(fā)出的光也趕到地球，這樣點(diǎn)發(fā)出的光也趕到地球，這樣我們就可以同時(shí)在空中看到兩個(gè)我們就可以同時(shí)在空中看到兩個(gè)A星，這種時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的星稱為星，這種時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的星稱為“魅星魅星”。但是天文上從來沒有。但是天文上從來沒有觀察到這樣的星星。說明光速與觀察到這樣的星星。說明光速與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。veA C299976以以A星為例：如果光速與光源星為例：如果光速與光源運(yùn)動(dòng)有關(guān)，從運(yùn)動(dòng)有關(guān)，從e點(diǎn)發(fā)出的光的點(diǎn)發(fā)出的光的光速為光速為v c又有人提出，可能是

39、地球拖著又有人提出，可能是地球拖著“以太以太”一道運(yùn)一道運(yùn)動(dòng)，地球與以太之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)了，當(dāng)然測(cè)動(dòng)，地球與以太之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)了，當(dāng)然測(cè)不出速度的差別，但是這一想法又被天文上的不出速度的差別，但是這一想法又被天文上的“光行差實(shí)驗(yàn)光行差實(shí)驗(yàn)”所否定。所否定。“光行差實(shí)驗(yàn)光行差實(shí)驗(yàn)”否定否定地球拖著地球拖著“以太以太”運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。還有不少解釋還有不少解釋.但總有矛循的地方。這樣一來但總有矛循的地方。這樣一來物理學(xué)面臨著一場(chǎng)危機(jī)，物理學(xué)面臨著一場(chǎng)危機(jī)，對(duì)于經(jīng)典物理的大廈，對(duì)于經(jīng)典物理的大廈，人們想扶起東墻卻倒了西墻，想扶起西墻卻倒人們想扶起東墻卻倒了西墻，想扶起西墻卻倒了東墻了東墻。為什么會(huì)產(chǎn)生這

40、樣的現(xiàn)象呢？因?yàn)槿?。為什么?huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？因?yàn)槿藗兪苤鴤鹘y(tǒng)思想的束縛，仍抱著牛頓的時(shí)空觀們受著傳統(tǒng)思想的束縛，仍抱著牛頓的時(shí)空觀不放。抱著伽利略坐標(biāo)變換不放。不放。抱著伽利略坐標(biāo)變換不放。在這種情況在這種情況下就看誰能沖破傳統(tǒng)思想的束縛，就能在大量下就看誰能沖破傳統(tǒng)思想的束縛，就能在大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前創(chuàng)建新的理論。的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前創(chuàng)建新的理論。 正是他對(duì)任何一個(gè)看來無可非議的正是他對(duì)任何一個(gè)看來無可非議的問題總要問一個(gè)為什么，如他對(duì)一米問題總要問一個(gè)為什么，如他對(duì)一米就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷疑，他說疑，他說：“時(shí)間、空間人們都說弄清時(shí)間、空間人們都說弄

41、清了，不再研究，我從小就沒有弄懂，了，不再研究，我從小就沒有弄懂，長大以后就繼續(xù)研究。就研究出相對(duì)論長大以后就繼續(xù)研究。就研究出相對(duì)論” 。正是這樣正是這樣一個(gè)人，一個(gè)人，1905年，年僅僅年，年僅僅26歲的愛因斯坦提出了兩條假歲的愛因斯坦提出了兩條假設(shè)創(chuàng)建了狹義相對(duì)論（設(shè)創(chuàng)建了狹義相對(duì)論（1916年又發(fā)表了廣義相對(duì)論）。年又發(fā)表了廣義相對(duì)論）。當(dāng)然現(xiàn)在已不是什么假設(shè)，而是兩條基本的原理。當(dāng)然現(xiàn)在已不是什么假設(shè)，而是兩條基本的原理。 是誰沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛是誰沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛呢！愛因斯坦（呢！愛因斯坦（Albert Einstein 1879-1955 ）目的：企圖測(cè)定地球在

42、以太中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速率，尋目的：企圖測(cè)定地球在以太中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速率，尋找絕對(duì)靜止的參考系。找絕對(duì)靜止的參考系。uS 系系S系系Xx O z yyzO地球地球以太以太1.1.邁克耳孫邁克耳孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)的目的莫雷實(shí)驗(yàn)的目的二二.邁克耳孫邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)M1M2GG12半透明半透明鍍銀層鍍銀層反反射射鏡鏡 2 2反射鏡反射鏡 1 1補(bǔ)償玻璃板補(bǔ)償玻璃板 n干涉條紋移動(dòng)數(shù)目，干涉條紋移動(dòng)數(shù)目，2d=n d移動(dòng)距離移動(dòng)距離M212u邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)原理圖邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)原理圖Suc uc uc22uc M1M2G1牽牽連連絕絕對(duì)對(duì)相相對(duì)對(duì)對(duì)對(duì)光光對(duì)對(duì)光光對(duì)對(duì)

43、vvvvvv SSSS2.2.邁克耳孫邁克耳孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)的原理莫雷實(shí)驗(yàn)的原理實(shí)驗(yàn)中令實(shí)驗(yàn)中令 G1M1=G1M2= l 。假設(shè)地球（儀器）假設(shè)地球（儀器）相對(duì)于相對(duì)于“以太以太”以以速度速度 u 沿沿G1M2方方向運(yùn)動(dòng)，光相對(duì)于向運(yùn)動(dòng)，光相對(duì)于地球（儀器）的速地球（儀器）的速度為度為 v 。光相對(duì)于光相對(duì)于“以太以太”的速度為的速度為c 。Suc uc uc22uc M1M2G1牽牽連連絕絕對(duì)對(duì)相相對(duì)對(duì)對(duì)對(duì)光光對(duì)對(duì)光光對(duì)對(duì)vvvvvv SSSS 根據(jù)伽利略速度變換法則，光對(duì)地球的速度根據(jù)伽利略速度變換法則，光對(duì)地球的速度 等于光對(duì)以太的速度等于光對(duì)以太的速度 減去地球?qū)σ蕴乃俣葴p去地球?qū)?/p>

44、以太的速度vcuuc v與與 垂直垂直vu22uc v對(duì)光線對(duì)光線 1有：有：ucv（回）（回）ucv（去）（去）與與 垂直垂直vu22uc v對(duì)光線對(duì)光線 1有：有：ucv（回）（回）ucv（去）（去）光束光束1 來回于來回于G1M1之間所需時(shí)間為：之間所需時(shí)間為：)21(2)1(22222122221cuclcucluclt Suc uc uc22uc M1M2G1相對(duì)于以太光速一定，沿各方向速度大小都是相對(duì)于以太光速一定，沿各方向速度大小都是 c 對(duì)光束對(duì)光束2有：有：ucv與與 同向同向vuuc v（沿（沿u的方向）的方向）ucv與與 反向反向vuuc v（與（與u 相反的方向）相反的

45、方向） 光束在光束在G1和和M2之之間往返所需時(shí)間為間往返所需時(shí)間為122212 cucluclucltSuc uc uc22uc M1M2G1邁克耳孫干涉儀原理邁克耳孫干涉儀原理211SM1M2G1望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡2u假設(shè)地球假設(shè)地球相對(duì)以太相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向兩光束光程差為兩光束光程差為2212)(culttc 兩束光的時(shí)間差為：兩束光的時(shí)間差為：)1 (2)1 (2)1 (2222122222222cuclcuclcucclucclucluclt32222212)21(2)1(2clucuclcuclttt 邁克耳孫干涉儀原理邁克耳孫干涉儀原理211SM1M2G1望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡2u假設(shè)地球

46、假設(shè)地球相對(duì)以太相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向兩光束光程差為兩光束光程差為2212)(culttc 如果把整個(gè)儀器繞中心軸如果把整個(gè)儀器繞中心軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)90度，則兩光束互換位度，則兩光束互換位置，光程差由置，光程差由 變?yōu)樽優(yōu)? ，故，故光程差的改變量為光程差的改變量為2 ，相當(dāng)，相當(dāng)于于M2移動(dòng)了距離移動(dòng)了距離 d 。在邁克耳孫干涉在邁克耳孫干涉儀給定條件下儀給定條件下2222clud M1M2GG12半透明半透明鍍銀層鍍銀層反反射射鏡鏡 2 2反射鏡反射鏡 1 1補(bǔ)償玻璃板補(bǔ)償玻璃板12u2d=n n干涉條紋移動(dòng)數(shù)目，干涉條紋移動(dòng)數(shù)目， d移動(dòng)距離移動(dòng)距離M2旋轉(zhuǎn) 90度結(jié)果：無條紋移動(dòng)邁克爾遜

47、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)22222/cludN 估算估算 N：取地球公轉(zhuǎn)的速度取地球公轉(zhuǎn)的速度 u=3 104 m/s ，采用多次反射法使采用多次反射法使 l =11 m ，入射光波長入射光波長 =5.9 10-7 m 。則干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目應(yīng)為：則干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目應(yīng)為：4 . 0)103(109 . 5)103(11228724 N 當(dāng)當(dāng)M2鏡移動(dòng)了鏡移動(dòng)了d 距離時(shí)，則條紋將移動(dòng)距離時(shí)，則條紋將移動(dòng) N條，此時(shí)有：條，此時(shí)有： 2Nd 即在視場(chǎng)中干涉條紋移過的數(shù)目為：即在視場(chǎng)中干涉條紋移過的數(shù)目為： 這相當(dāng)于原來的明紋在旋轉(zhuǎn)后幾乎變?yōu)榘导y。實(shí)這相當(dāng)于原來的明紋在旋轉(zhuǎn)后幾乎變?yōu)榘导y。實(shí)驗(yàn)

48、的精度可以觀察到驗(yàn)的精度可以觀察到 0.01條條紋的移動(dòng)，應(yīng)該很容條條紋的移動(dòng)，應(yīng)該很容易觀察到這條紋的變化。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，把儀器易觀察到這條紋的變化。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，把儀器旋轉(zhuǎn)后，干涉條紋并無變化，沒有觀察到預(yù)期的條旋轉(zhuǎn)后，干涉條紋并無變化，沒有觀察到預(yù)期的條紋移動(dòng)。紋移動(dòng)。邁克爾遜邁克爾遜 - 莫雷為了得到預(yù)期的結(jié)果，在不同的莫雷為了得到預(yù)期的結(jié)果，在不同的地點(diǎn)、不同的時(shí)間（白天、夜晚、春、夏、秋、地點(diǎn)、不同的時(shí)間（白天、夜晚、春、夏、秋、冬），重復(fù)做了若干次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都相同，都沒冬），重復(fù)做了若干次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都相同，都沒有看到干涉條紋的移動(dòng)。有看到干涉條紋的移動(dòng)。這說明經(jīng)典時(shí)空觀對(duì)光的

49、傳播規(guī)律是不適用的；地球這說明經(jīng)典時(shí)空觀對(duì)光的傳播規(guī)律是不適用的；地球相對(duì)于相對(duì)于“以太以太”的運(yùn)動(dòng)是不存在的，的運(yùn)動(dòng)是不存在的，“以太以太”也是不也是不存在的，即存在的，即絕對(duì)靜止的參照系是不存在的；真空中的絕對(duì)靜止的參照系是不存在的；真空中的光速是一恒量，它和參照系無關(guān)。光速是一恒量，它和參照系無關(guān)。這與伽利略變換相這與伽利略變換相矛盾。矛盾。 3.邁克耳孫邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)靜止的參照系是不存在的絕對(duì)靜止的參照系是不存在的三三. .邁克耳孫邁克耳孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否定的：實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否定的：沒有看到任何預(yù)期的條沒有看到任何預(yù)期的條紋移

50、動(dòng)紋移動(dòng)。邁克耳孫邁克耳孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以太存在的假設(shè)并不成立以太存在的假設(shè)并不成立在慣性系中光沿各方向的傳播速度相同在慣性系中光沿各方向的傳播速度相同結(jié)論與伽利略變換相矛盾結(jié)論與伽利略變換相矛盾 正是他對(duì)任何一個(gè)看來無可非議的正是他對(duì)任何一個(gè)看來無可非議的問題總要問一個(gè)為什么，如他對(duì)一米問題總要問一個(gè)為什么，如他對(duì)一米就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷疑，他說疑，他說：“時(shí)間、空間人們都說弄清時(shí)間、空間人們都說弄清了，不再研究，我從小就沒有弄懂，了，不再研究，我從小就沒有弄懂，長大以后就繼續(xù)研究。就研究出相對(duì)論長大以后就繼續(xù)研究。就研

51、究出相對(duì)論” 。正是這樣正是這樣一個(gè)人，一個(gè)人，1905年，年僅僅年，年僅僅26歲的愛因斯坦提出了兩條假歲的愛因斯坦提出了兩條假設(shè)創(chuàng)建了狹義相對(duì)論（設(shè)創(chuàng)建了狹義相對(duì)論（1916年又發(fā)表了廣義相對(duì)論）。年又發(fā)表了廣義相對(duì)論）。當(dāng)然現(xiàn)在已不是什么假設(shè)，而是兩條基本的原理。當(dāng)然現(xiàn)在已不是什么假設(shè)，而是兩條基本的原理。 是誰沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛是誰沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛呢！愛因斯坦（呢！愛因斯坦（Albert Einstein 1879-1955 ） 1905年年愛因斯坦在愛因斯坦在論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)中，中，拋棄了以太假說和經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀拋棄了以太假說和經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空

52、觀伽伽利略變換，提出了兩個(gè)假設(shè)：利略變換，提出了兩個(gè)假設(shè)：1 1. .相對(duì)性原理相對(duì)性原理 在所有慣性系中，一切物理定律在所有慣性系中，一切物理定律都具有相同的形式，即所有慣性參考系對(duì)于描寫都具有相同的形式，即所有慣性參考系對(duì)于描寫一切物理現(xiàn)象的規(guī)律性都是等價(jià)的。一切物理現(xiàn)象的規(guī)律性都是等價(jià)的。2 2. .光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)?在在所有慣性系所有慣性系中的觀察者測(cè)得中的觀察者測(cè)得光在光在真空真空中沿各方向傳播的速度都等于恒定的值中沿各方向傳播的速度都等于恒定的值 c ，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。一一. .愛因斯坦假設(shè)愛因斯坦假設(shè) 在一切慣性系中，物理定律都具有相在

53、一切慣性系中，物理定律都具有相同的形式。同的形式。注意注意：這一原理實(shí)際上是伽利略力學(xué)相對(duì)性原：這一原理實(shí)際上是伽利略力學(xué)相對(duì)性原理的推廣，不過它不僅包含力學(xué)現(xiàn)象，而且包理的推廣，不過它不僅包含力學(xué)現(xiàn)象，而且包括一切其它的物理現(xiàn)象。比如說有兩個(gè)彼此相括一切其它的物理現(xiàn)象。比如說有兩個(gè)彼此相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參照系對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參照系S和和S系。系。力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律dtmdF)(v ) (dtmdFv S系系S系系電學(xué)規(guī)律電學(xué)規(guī)律 Q1Q2R Q1Q2R受力受力施力施力 rRQQKF221受力受力施力施力 221rRQQKF磁學(xué)規(guī)律磁學(xué)規(guī)律II這就是說：一切慣性系都是彼此彼此、半這就

54、是說：一切慣性系都是彼此彼此、半斤八兩、誰斤八兩、誰 也不比誰特殊，一切慣性系都也不比誰特殊，一切慣性系都是平權(quán)的。這意味著不能通過本參照系的是平權(quán)的。這意味著不能通過本參照系的實(shí)驗(yàn)確定本參照系與其它參照系有什么不實(shí)驗(yàn)確定本參照系與其它參照系有什么不同。沒有一個(gè)特殊地位的參照系。否定了同。沒有一個(gè)特殊地位的參照系。否定了絕對(duì)參照系的存在。當(dāng)然要找到對(duì)電磁波絕對(duì)參照系的存在。當(dāng)然要找到對(duì)電磁波的速度有特殊值的參照系是找不到的。的速度有特殊值的參照系是找不到的。愛因斯坦認(rèn)為，相對(duì)性原理是自然界中一條普愛因斯坦認(rèn)為，相對(duì)性原理是自然界中一條普遍的原理，在任何慣性系里的任何物理現(xiàn)象都遍的原理，在任何慣

55、性系里的任何物理現(xiàn)象都不能確定該慣性系是靜止還是在作勻速直線運(yùn)不能確定該慣性系是靜止還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)。因此所謂動(dòng)。因此所謂“絕對(duì)參照系絕對(duì)參照系”是不存在的，當(dāng)是不存在的，當(dāng)然也不存在什么然也不存在什么“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”。注意注意：A A）慣性系；慣性系；B）真空中真空中（介質(zhì)中的光速（介質(zhì)中的光速C=C/n）光速不變?cè)磉m用的條件光速不變?cè)磉m用的條件由此原理很容易解釋邁克爾遜由此原理很容易解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。結(jié)果。這兩條原理只涉及慣性系，相對(duì)論的這部分這兩條原理只涉及慣性系，相對(duì)論的這部分內(nèi)容稱為狹義相對(duì)論，它們是狹義相對(duì)論的內(nèi)容稱為狹義相對(duì)論，它們是狹義相對(duì)論的

56、基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 由這兩條原理，可以推出在相對(duì)作勻速直由這兩條原理，可以推出在相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)坐標(biāo)系里時(shí)空的新的變換關(guān)系，線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)坐標(biāo)系里時(shí)空的新的變換關(guān)系，這個(gè)變換稱為洛侖茲變換。由洛侖茲變換在這個(gè)變換稱為洛侖茲變換。由洛侖茲變換在一定條件下一定條件下 還可以得到伽利略變換。還可以得到伽利略變換。一、洛倫茲空時(shí)坐標(biāo)變換式一、洛倫茲空時(shí)坐標(biāo)變換式在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件 Pzz xyx x y y 0 t0 tOO O t t兩個(gè)參考系原點(diǎn)兩個(gè)參考系原點(diǎn)重合時(shí)開始計(jì)時(shí)重合時(shí)開始計(jì)時(shí)u S系系S系系地面觀察者地面觀察者車上觀察者車上觀察者事件事件P信號(hào)

57、信號(hào)燈亮燈亮S系相對(duì)于系相對(duì)于S系系的速度的速度事件事件 P 的空時(shí)坐標(biāo)：的空時(shí)坐標(biāo)：S 系中為系中為S系中為系中為),(tzyx),(tzyx 可由相對(duì)性原理來推導(dǎo)這個(gè)變換。（自學(xué)）可由相對(duì)性原理來推導(dǎo)這個(gè)變換。（自學(xué)）慣性參照系慣性參照系S、S若空間某點(diǎn)若空間某點(diǎn)P發(fā)生一件事，其時(shí)空坐標(biāo)為發(fā)生一件事，其時(shí)空坐標(biāo)為tzyxtzyx., .所謂坐標(biāo)變換就是要找出它們之間的關(guān)系。所謂坐標(biāo)變換就是要找出它們之間的關(guān)系。3 3）坐標(biāo)軸原點(diǎn)）坐標(biāo)軸原點(diǎn)O O與與O O點(diǎn)重合時(shí)作為公共計(jì)時(shí)起點(diǎn)。點(diǎn)重合時(shí)作為公共計(jì)時(shí)起點(diǎn)。 1 1）各坐標(biāo)軸相互平行；）各坐標(biāo)軸相互平行；2 2）系相對(duì)系沿系相對(duì)系沿X X軸

58、軸, ,以以u(píng) u 作勻速直線運(yùn)動(dòng)；作勻速直線運(yùn)動(dòng)；（以后不加聲明均指這種參照系）（以后不加聲明均指這種參照系）在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件在兩個(gè)慣性參考系中觀察同一事件 P逆變換：逆變換：洛倫茲變換：洛倫茲變換： 2222211cuxcuttzzyycuutxx 2222211cuxcuttzzyycutuxx洛侖茲變換的正、逆變換洛侖茲變換的正、逆變換：22211xcuttzzyyutxx 22211xcuttzzyytuxx )(cu 21222)1 (11 cu)()(2xcuttzzyyutxx )()(2xcuttzzyyutxx 洛侖茲變換洛侖茲變換洛侖茲逆變換洛侖茲逆變換 1

59、.伽利略變換是洛倫茲變換的低速近似伽利略變換是洛倫茲變換的低速近似即當(dāng)即當(dāng) u c 時(shí)，時(shí)， 成為虛數(shù)，成為虛數(shù)，洛倫茲變洛倫茲變換失去意義。換失去意義。時(shí)空坐標(biāo)也變?yōu)樘摂?shù)，失去了時(shí)空坐時(shí)空坐標(biāo)也變?yōu)樘摂?shù)，失去了時(shí)空坐標(biāo)的意義。標(biāo)的意義。21221 cu 5.“LT”是指同一事件在兩個(gè)慣性系中時(shí)空坐標(biāo)是指同一事件在兩個(gè)慣性系中時(shí)空坐標(biāo)tzyxtzyx., .之間的關(guān)系。若不是同一之間的關(guān)系。若不是同一事件，則無此關(guān)系。事件，則無此關(guān)系。6.使用使用“LT”時(shí)，時(shí)空基準(zhǔn)必須一致。時(shí)，時(shí)空基準(zhǔn)必須一致。A）鐘尺必須靜中用鐘尺必須靜中用-各慣性系中的鐘、尺必須相各慣性系中的鐘、尺必須相對(duì)各自的慣性系

60、保持靜止。對(duì)各自的慣性系保持靜止。因時(shí)空坐標(biāo)與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，否則談時(shí)空坐標(biāo)無一因時(shí)空坐標(biāo)與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，否則談時(shí)空坐標(biāo)無一共同標(biāo)準(zhǔn)。共同標(biāo)準(zhǔn)。OXOXB）時(shí)間、空間的單位應(yīng)有一共同標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間、空間的單位應(yīng)有一共同標(biāo)準(zhǔn)。如都選取某如都選取某晶體的彈性振動(dòng)周期或某原子的半衰期作為單位。晶體的彈性振動(dòng)周期或某原子的半衰期作為單位。7.狹義相對(duì)論中狹義相對(duì)論中“LT”占有中心的位置，它以確切的占有中心的位置，它以確切的數(shù)學(xué)語言反映著與數(shù)學(xué)語言反映著與“GT”的根本區(qū)別。的根本區(qū)別。新的、相對(duì)論新的、相對(duì)論時(shí)空觀也集中體現(xiàn)在時(shí)空觀也集中體現(xiàn)在“LT”中，它是我們走進(jìn)陌生的中，它是我們走進(jìn)陌生的高速世界的一把鑰匙