大學物理學：17-1相對論

1、概述(Summarize)19世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律-能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頭了。 正于是1900年英國物理學家開爾文在瞻望20世紀物理學的發(fā)展的文章中說到： “但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，-” “在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?-開爾文-這兩朵烏云是

2、指什么呢？黑體輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學的誕生相對論問世經(jīng)典力學量子力學相對論微觀領域高速領域今天來介紹相對論相對論-關于時空觀及時空與物質關系的理論。相對論有狹義相對論廣義相對論之分：關于慣性系時空觀的理論；狹義相對論（special relativity）廣義相對論（General relativity）關于一般參照系及引力的理論；愛因斯坦公眾謂之人類最高智慧的象征愛因斯坦的主要科學貢獻： 光的量子論、狹義相對論和廣義相對論。阿爾伯特愛因斯坦1895年在瑞士阿勞州立中學學習。1900年

3、他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學畢業(yè)。1902年在伯爾尼的瑞士專利局被聘為三級技術員。1905年，愛因斯坦發(fā)表了六篇論文，提出了有劃時代意義的“光的量子論”、“狹義相對論”和“布朗運動理論”。 1、狹義相對論 僅限于慣性參照系，特別對微觀高速運動的粒子（1）狹義相對論的兩個基本原理a、相對性原理b、光速不變原理（3）有關時空結構和物質、運動聯(lián)系的一個時空 觀（2）洛倫茲變換（4）相對論動力學和電動力學（5）質能關系2、廣義相對論（1）等效原理和廣義相對性原理非慣性系處理成慣性參照系加速場和與引力場等效所有物理學規(guī)律對所有的參照系都成立（2）廣義相對論揭示時空結構與物質的統(tǒng)一性（3）天體物理的基本理論

4、基礎a、光束彎曲 當光束通過引力場時，根據(jù)等效原理，它的軌道應當彎曲。例如：星光經(jīng)過太陽邊緣時，我們應當觀察到光束的“位移”，這種位移只有在日蝕時才可能發(fā)現(xiàn)。星太陽月亮地球（4）廣義相對論的實驗驗證b、引力紅移 原子或光子的振動可以看作是最簡單的時鐘。光子振動頻率的變動使光束的顏色向光譜的紅色端偏移，因此把它稱為引力紅移。 原子在引力大的地方發(fā)出的光波長變長，頻率 變短太陽是巨大的引力場的值：c、水星近日點的進動 行星實際上并不按橢圓運動，因為鄰近天體的影響對這行星的運動產(chǎn)生攝動。舉例：水星特別明顯地表現(xiàn)在所謂近日點的進動上。按照開普勒的理論，行星每年都應通過同一個近日點。但由觀察得知，這個軌

5、道點的位置相對于不動的恒星每一百年約變化1o3320”。水星太陽近日點水星太陽近日點第17章 狹義相對論基礎17-1伽利略變換 經(jīng)典力學的舊時空觀17-2愛因斯坦假設 洛侖茲坐標變換17-3 狹義相對論的時空觀；17-4狹義相對論動力學基礎17-1伽利略坐標變換 經(jīng)典力學時空觀一）伽利略坐標變換（簡稱“GT”）及經(jīng)典時空觀二)伽利略相對性原理（Galileo relativity principle ）例）一小車以速度 沿X軸運動，人在小車上打開手電筒，燈光在小車中（K系）以光速C傳播，則地面的人（K系）測得的光速為多大？由“GT”地面上的人測得的光速為：可見在“GT”下光速是沒有限度的或CX

6、X邁克耳遜莫雷實驗一麥克斯韋方程組對伽利略變換不協(xié)變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，牛頓定律已達到了登峰造極的程度，人們對牛頓定律可以說是已經(jīng)達到了頂禮模拜、乃至迷信的程度。普遍認為牛頓定律是萬能的。 19世紀60年代麥克斯韋建立了解釋電磁現(xiàn)象的方程-Maxwell Eqution。并導出了電磁波的方程。 式中：C為真空中的光速如何看待這個電磁波和光速呢？由于牛頓定律在人們頭腦中的統(tǒng)治地位。人們很自然地要與曾用牛頓定律成功解釋過的機械波來類比。機械波電磁波(光）1）依靠彈性媒質傳播，其波速由彈性模量和媒質密度決定。如聲波在空氣中傳播2）波速是相對于和靜止媒質保

7、持相對靜止的參照系的波速。1）依靠彌漫宇宙的“以太”（Aether）傳播。C很大，故“以太”應比鋼還硬且星體在其中運動時要暢行無阻。2）C是相對“以太”參照系的速度“以太”是宇宙間的絕對靜止參照 系。測得為：測得為：正于順風與頂風騎自行車感覺風速不一樣一樣。uCuC風1887年 1930年1958年1970年17-2 愛因斯坦假設 洛侖茲坐標變換一、狹義相對論的兩條基本原理1）相對性原理：一切物理學定律對一切慣性系參照系都是等價的。2）光速不變原理-真空中的光速相對任何慣性系，沿任意方向恒為C，且與光源的運動狀態(tài)無關。光速為C光速為CC+vCv如果不滿足光速不變原理，因果關系將顛倒過，可是從來

8、沒有看到過這種現(xiàn)象。CXX注意：A）慣性系；B）真空中（介質中的光速C=C/n）2）不要認為狹義相對論是邁克爾遜-莫雷實驗的直接結果，它是近半個世紀大量實驗的總結；當然邁克爾遜-莫雷實驗對確認狹義相對論有重要影響。1）光速不變原理適用的條件那么，對應狹義相對論的坐標變換又是什么呢？二、洛侖茲坐標變換（簡稱“LT”）此坐標變換是荷蘭人Lorentz發(fā)現(xiàn)的，他發(fā)現(xiàn)在這個變換下Maxwell方程具有不變性。1）時間、空間是均勻的，要求變換是線性的。所謂時空是均勻的，是指同一參照 系中某事件發(fā)生的時間間隔與空間間隔與它們在什么時間發(fā)生、什么地點發(fā)生無關。L2L1XZYOL1=L2一樣長！XZYOH t1 t2=ABAB2）新的變換應在低速狀態(tài)下變成為伽利略坐標 變換以上稱為洛侖茲坐標變換.簡稱“LT”常令：注意：1）2）物質之間的相對運動速度為虛數(shù)，時空坐標也變?yōu)榉駝t虛數(shù)，失去了時空坐標的意義。速度變換