相對(duì)論的誕生

相對(duì)論的誕生第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、問(wèn)題的提出如果有人對(duì)你說(shuō)：“你頭腦中的一些概念是不科學(xué)的．”你相信嗎？第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、問(wèn)題的提出人們頭腦中的概念從科學(xué)性來(lái)講，可以分為兩類：第一類是科學(xué)的：第二類是經(jīng)驗(yàn)的，但不是科學(xué)的．第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、問(wèn)題的提出請(qǐng)問(wèn)：1、標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度靜止時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的長(zhǎng)度是一樣嗎？2標(biāo)準(zhǔn)鐘的快慢運(yùn)動(dòng)時(shí)和靜止時(shí)是一樣嗎？在高山頂和山谷是一樣嗎？第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律1、空間：人們通常所說(shuō)的空間量，不外乎線的長(zhǎng)度、平面物曲面的面積、形體的體積等等．它們都可以用標(biāo)準(zhǔn)尺來(lái)量度．第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律2、時(shí)間：通常，時(shí)間不外乎兩個(gè)事件的時(shí)間間隔、一個(gè)事件比另一個(gè)事件發(fā)生得早些或晚些、兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生等等．原則上時(shí)間都可以用標(biāo)準(zhǔn)鐘來(lái)量度．第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律3牛頓在他所著的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中寫(xiě)道：絕對(duì)的空間，本質(zhì)上是與外界無(wú)關(guān)的，是同一的和靜止的．絕對(duì)的時(shí)間，本質(zhì)上是一種與外界物體無(wú)關(guān)的均勻流動(dòng)．這就是牛頓力學(xué)中的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間概念．第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律4、空時(shí)坐標(biāo)（1）空間坐標(biāo)：需要3個(gè)空間量．比如：（x、y、z）．（2）空時(shí)坐標(biāo)：需要4個(gè)數(shù)．比如：（x、y、z、t）．第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律5、速度合成法則：（1）伽利略變換式：設(shè)有兩個(gè)參考系S和作勻速運(yùn)動(dòng)，且S/相對(duì)S沿X軸以速度v運(yùn)動(dòng)．則事件P在兩坐標(biāo)系中變換關(guān)系是第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律5、速度合成法則：（2）速度合成法則：設(shè)質(zhì)點(diǎn)在在S/中的速度為u/，則在S中的速度為u=u/+v第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律6、慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系．凡是相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系．第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律7、牛頓力學(xué)中的相對(duì)性原理：牛頓運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)形式在所有的慣性系中都是相同的，或者說(shuō)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)形式在伽利略變換是不變的．第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、幾個(gè)經(jīng)典概念和規(guī)律7、牛頓力學(xué)中的相對(duì)性原理：（其它表述）（1）在任何兩個(gè)慣性系中做同一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)都會(huì)得到相同的結(jié)果；（2）用任何力學(xué)方法都無(wú)法將兩個(gè)慣性系分開(kāi)；（3）對(duì)于描述力學(xué)現(xiàn)象，所有的慣系都是平權(quán)的．第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、經(jīng)典物理學(xué)的困難1、在經(jīng)典物理學(xué)中，牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠描述所有力學(xué)現(xiàn)象．2、在電磁學(xué)領(lǐng)域，麥克斯韋電磁場(chǎng)理論能描述所有的電磁學(xué)現(xiàn)象．并指出：在任一慣性系中，光速各向同性，大小都等于c．3、問(wèn)題：假設(shè)光S在中的速度是c，它在S/中的速度是多少？第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是恒定的．v光速＝光速＝第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)?jīng)猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì)，拿以太做參考系時(shí)麥克斯韋的電磁理論才成立．今天看來(lái)，以太是某一特殊參考系的代表．麥克爾遜實(shí)驗(yàn)表明不存在這樣的特殊參考系，實(shí)際上就是宣布宇宙間不存在以太．麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

這一結(jié)論還特別為后來(lái)的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn)。它們都明確無(wú)誤地證明光速的測(cè)量結(jié)果與光源和測(cè)量者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，亦即與參照系無(wú)關(guān)。

可見(jiàn)光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對(duì)原理.任何參照系中測(cè)得的光在真空的速率都應(yīng)該是一樣的．第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能：（1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。（2）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對(duì)，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對(duì)，應(yīng)存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個(gè)選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)果（這相對(duì)比較容易，但常常無(wú)效）；另一種主張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系”，創(chuàng)立全新的理論。愛(ài)因斯坦、龐加萊等人選擇了后者．并提出了兩個(gè)假設(shè)：第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)1、狹義相對(duì)性原理在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的2、光速不變?cè)碚婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解①自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；②真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向③幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)怼５诙豁?yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛(ài)因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句:第二十二頁(yè)，共二十三頁(yè)