第10章相對論第1講課件

A說：頭朝上。但，A看B，B頭朝下！如：什么是上？下？科學的語言必須準確！如何定義上、下？B也說：頭朝上。相對性下：重力加速度的方向AB上、下可用物理規(guī)律來表述1

（一）已經(jīng)了解的相對性運動描述與參考系有關(guān),運動規(guī)律與參考系無關(guān)。對牛頓定律的認識(慣性系與非慣性系)相對性

（二）進一步認識相對性認識論的問題：要脫離自我,客觀地看問題。相對性問題的核心是：物理規(guī)律是客觀存在的，與參考系無關(guān)。即參考系平權(quán)，沒有特殊的參考系。2愛因斯坦:Einstein

提出所有的參考系平權(quán)：慣性系，非慣性系平權(quán)一切物理規(guī)律在任何參照系中形式相同牛頓:力學規(guī)律在任何慣性系中形式相同一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同

牛頓的相對性原理

狹義相對性原理

廣義相對性原理相對性原理3伽利略（1564-1642）牛頓(1642-1722)麥克斯韋（1831-1879）………物理學關(guān)鍵概念的發(fā)展1600190018001700力學熱力學電磁學2000相對論量子力學愛因斯坦（1879-1955）……

以牛頓力學和麥克斯韋電磁場理論為代表的經(jīng)典物理學，到20世紀初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對物質(zhì)世界的認識，已從宏觀低速物體的運動規(guī)律逐漸擴展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場物質(zhì)運動規(guī)律。

隨著對物質(zhì)運動多樣性的認識范圍逐步擴大和深入的同時，也引起了對物質(zhì)運動統(tǒng)一性問題的思考。1900年,著名物理學家開爾文在元旦獻詞中的名言：

“

在物理學的天空，一切都已明朗潔凈了，只剩下兩朵烏云，一朵與麥克耳孫-莫雷實驗（尋找“以太”）有關(guān)，另一朵與黑體輻射有關(guān)。”

但他卻沒有料到，這兩朵小小的烏云正孕育著一場暴風雨，并促成了近代物理學的兩大理論支柱相對論和量子力學的誕生。4伽利略變換ssvprrrrtvttu2ddtruvaddtr2a如：牛頓定律力學規(guī)律fma在慣性系觀察s在慣性系觀察sfmama

在一切慣性系中，力學規(guī)律相同。稱為伽利略相對性原理電磁學規(guī)律若處有兩個電荷p對慣性系，電荷間的相互作用

為靜電力。s對慣性系，是兩個運動電荷，還有磁力作用。s規(guī)律不相同若處有一光源，迎著

發(fā)射光波（電磁波）pv對s,光速uc對s,cucv光速+無實驗根據(jù)自洽不自洽？？？誰是誰非難以判斷5兩種哲學觀念“以太”論的觀點：假設(shè)整個宇宙都充滿著一種絕對靜止的特殊媒質(zhì)“以太”（ether,又稱能媒）。它是優(yōu)于其它參考系的絕對參考系。物理定律在“以太”參考系中具有最簡單的形式，而對別的參考系，有可能要改變形式。電磁學定律在不同慣性系有不同的形式是正常現(xiàn)象。

在物理學史上企圖發(fā)現(xiàn)“以太”曾作過許多努力（如：斐索實驗、光行差測量、雙星周期測量以及麥克耳孫-莫雷精密的光干涉實驗等），但沒有成功，最精密的實驗所測到的也是“零結(jié)果”。愛因斯坦的觀點：相信自然界有其內(nèi)在的和諧規(guī)律。（必定存在和諧的力學和電磁學規(guī)律。）相信自然界存在普遍性的相對性原理。（必定存在更普遍的相對性原理，對和諧的力學和電磁學規(guī)律都適用）相信復雜多變的自然界，存在某種重要的不變性。6§10.1牛頓時空觀和伽利略變換回顧牛頓時空觀時間鐘空間尺

牛頓關(guān)于時間和空間的觀念僅能看成是一種假設(shè)或者前提，經(jīng)典力學正是從這些假設(shè)或前提下得出來的結(jié)果。其它假設(shè)或前提是否得出不同的力學定律？假設(shè)或前提是否成立實驗檢驗！麥克斯韋的電磁理論與伽利略變換的矛盾71、伽里略變換ZOXXYYZO2、經(jīng)典時空觀同時性的絕對性時間測量的絕對性長度測量的絕對性假定：1.存在一種與運動狀態(tài)無關(guān)的計時器時鐘鐘不變2.在任何給定時刻，空間兩點之間的距離或者物體的長度是絕對的，與參照系無關(guān)，即存在一種與運動狀態(tài)無關(guān)的測量桿。尺不變8一尺相對S靜止任意值測A測B只有當即在S’系中同時測量時

長度測量長度測量：同時給出兩點坐標9推導:對于牛頓定律力與參考系無關(guān)得到：

反過來，由時空絕對性（伽里略變換）和絕對質(zhì)量的概念，可以得到力學相對性原理。

力學定律在一切慣性系中都是相同的，即所有慣性系都是等價的。說明了質(zhì)量的絕對性（與運動無關(guān)）。3、力學的相對性原理由伽里略變換力學相對性原理不變量協(xié)變性10§10.2狹義相對論的實驗背景電磁學的基本定律麥氏方程背景電磁波能否在真空中傳播？類比機械波：媒質(zhì)電磁波：以太在相對以太靜止的參照系中的傳播速度為c，以速度v相對運動的參照系中，c+v，c-v力學相對性原理：在任何慣性系中，力學規(guī)律不變。前提：伽利略變換電磁學定律與相對性原理矛盾可能原因：1.麥氏方程不是電磁學的基本定律；2.相對性原理只適用于力學定律；3.伽利略變換不對牛頓時空觀需修改問題：麥克斯韋方程不服從伽里略變換11進行伽里略坐標變換上式說明：在不同的慣性系中波動方程呈現(xiàn)不同的形式，即光速在不同的慣性系中有差異。問題一：麥克斯韋方程不服從伽里略變換麥克斯韋方程以一維為例12以太光對地球C’光對以太c地球?qū)σ蕴玽c+v2cv2cv2cv2cs

若能用實驗證明光波對地球的相對運動

符合上述規(guī)律，則地球?qū)σ蕴慕^對運動將被證實，“以太”觀點成立。C'邁克耳孫設(shè)計了一種檢驗方法：

根據(jù)“以太”觀點，充滿宇宙的“以太”是一切運動的絕對參考系。

光波靠“以太”傳播，光對“以太”的絕對速度為c。若在地球上固定一光源

，s按伽利略的速度合成法則：cC'+v或C'cv問題二、邁克耳孫莫雷實驗13v地球c光對以太v地球?qū)σ蕴鈱Φ厍駽's底盤1鏡2鏡玻片O11m臂長l=

590nm邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋邁克耳孫莫雷實驗假如存在“以太”，的C'大小必與傳播方向有關(guān)。繞中心O轉(zhuǎn)動干涉儀，兩臂位相差必改變，干涉條紋必有移動。干涉儀轉(zhuǎn)過90°，兩臂位置取向互換，位相差改變達極大，條紋移動量亦達極大。相對速率若“以太”觀點成立，預期有0.4根條紋移動量。（儀器的靈敏度，可判斷0.01根條紋的移動量）。30km/s地球絕對速度屬假設(shè)。在估算

干涉條紋移動量時用地球的公轉(zhuǎn)速度。實測結(jié)果

經(jīng)過不同季節(jié)、不同時間的反復仔細觀測記錄，沒有發(fā)現(xiàn)預期的條紋移動。在歷史上曾被稱為有關(guān)尋找“以太”著名的“零結(jié)果”。尋找“以太”失敗實例地球s底盤1鏡2鏡玻片O邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋相對速率地球s底盤1鏡2鏡玻片O11m臂長l=

590nm邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋相對速率14

邁克耳孫－莫雷實驗分析c+uSEM1M2MM1cuuuc結(jié)果表明：往返光速與空間的方位無關(guān)地球與絕對參照系無差別無絕對參照系邁克爾遜實驗的“零結(jié)果”，是建立相對論的前奏。邁克爾遜由于這方面的貢獻，榮獲1907年諾貝爾物理獎。15驗證光速空間各向同性的實驗方法Jaseja_1964Brillet_1979Müller_2019Herrmann_2009161892年愛爾蘭的菲茲哲羅和荷蘭的洛侖茲獨立提出了運動長度收縮的概念；1899年洛侖茲提出運動物體上的時間間隔將變長及洛侖茲變換；1904年龐加萊提出物體所能達到的速度有一最大值：C；1905年愛因斯坦建立了狹義相對論。引起物理學界廣泛的討論和探索：邁克耳孫－莫雷實驗意義1954年，愛因斯坦在回答關(guān)于邁克爾遜-莫雷實驗對建立相對論是否有決定作用時回答道：“邁克爾遜的這件工作，是他對科學知識的不朽貢獻，其偉大在于對問題大膽而明確的表述，同樣也在于以巧妙的方法按要求達到了很高的測量精度。這一貢獻對于與狹義相對論原理有關(guān)的‘絕對運動’的不存在是一新的有力證據(jù)?！?7“以太”觀點帶來的問題：承認“以太”，即承認慣性系中，有一個慣性系地位特殊，因而最重要，但從牛頓力學是不可能找到這個慣性系的；試圖利用光學和電磁學的方法，測量真空中的光速來確定絕對參考系，但實驗結(jié)果是否定的；“以太”觀點有一系列自相矛盾的假設(shè)；慣性系優(yōu)越于非慣性系，絕對參考系優(yōu)越于慣性系。尤其是后一優(yōu)越極不自然，又沒有實驗驗證?！耙蕴庇^點的困難是無法克服的。我們知道，物理學的基本思想是：宇宙應(yīng)有更簡明的描述方法§10.3狹義相對論的基本假設(shè)18相對性原理：所有慣性系都是平權(quán)的，在它們之中所有的物理規(guī)律都一樣。光速不變原理：在所有的慣性系中測量到的真空光速都是一樣的。一、愛因斯坦的基本假設(shè)

1905年《論動體的電動力學》物理定律在所有慣性系中都相同（物理定律的絕對性）即不存在任何特殊的慣性系存在一組聯(lián)系兩個慣性系的坐標變換公式，這組公式保證所有的物理定律具有協(xié)變性。a.單程光速在真空中的傳播速度具有相同的值cb.與慣性參照系的運動速度無關(guān)c.與光源的運動速度無關(guān)d.與觀察者的運動速度無關(guān)M-M實驗成為雙程光速不變性的實驗依據(jù)19二、時間是值得懷疑的愛因斯坦的兩條假設(shè)看起來十分簡單，但這兩條假設(shè)以及由此推出的某些結(jié)論，卻都與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗極不一致。在兩個慣性系中各自觀察到的光波都是球面波，波面是以各自原點為球心的球面P’P’OO’S’SxS和S’系彼此作勻速直線運動，在兩參照系中的坐標原點O和O’重合的時刻，從原點發(fā)出一光脈沖。例：20接收時間當O’與O重合時發(fā)出一個光脈沖，相對S’靜止，距O’為x’的P’點放一接收器。S’系中的觀察者：光脈沖到達P’的時間S系中的觀察者：光脈沖到達P’的時間P’P’OO’S’Sx在伽利略變換中是一個隱含的前提。

愛因斯坦還是抓住這個大家認為理所當然的前提條件的正確性加以考慮和探索的。21三、同時性的相對性“火箭在t時刻擊中目標”火箭擊中目標時鐘指向t如何判斷兩事件的同時性？①同一地點的兩事件是否同時一只鐘②不同地點的兩事件是否同時兩只鐘不同地點兩只鐘的對鐘問題同一地點兩事件的同時性22M’B’S’vA’SAMB條件：相對S系相對S’系B’B、A’A重合時各發(fā)出光信號M和M’兩處各有一光信號的接收器愛因斯坦火車實驗在車廂相對軌道運動的過程中，發(fā)生以下事件：1)B’B事件：B’與B對準，發(fā)出一光信號2)A’A事件3)MA

（M處接收到來自A方發(fā)出的光信號）4)MB 同一地點兩事件5)M’B’6)M’A’同一地點兩事件23S系的觀測者：若測量A和B的兩光信號同時到達M點則由于AM=MB，光速不變原理A，B兩光信號同時發(fā)出B’B事件與A’A事件是同時發(fā)生的事件思考：S’系認不認可兩光信號同時到達M點？S’系認不認可B’B事件與A’A事件同時發(fā)生?（判據(jù)是什么？）vM’B’A’MABS’系的觀測者：

光信號是否同時到達A’、B’的中點M’

？由于車廂在向右運動，位于車廂的M’處接收器迎向B處發(fā)出的光信號，背離A處發(fā)出的光信號，因而B處發(fā)出的光信號比A處發(fā)出的光信號較早到達M’B’B、A’A不同時發(fā)生同時到達光信號同時到達M點和不同時到達M’S和S’系：S’系：光信號不同時到達M’24思考：怎樣理解S’

也能認可兩個光信號同時到達M點？在S’系看來，B’B先發(fā)生，但M相對于S’以v速度向左運動，背離B’B發(fā)出的光信號，迎向較晚自A’A發(fā)出的光信號，結(jié)果B’B和A’A兩個光信號盡管不是同時發(fā)出，但仍然可以同時到達M點。M’B’S’vA’SAMBB’B和A’A事件MA

、MBM’B’、

M’A’S系同時同時不同時S’系不同時同時不同時不同地點同一地點同一地點25vM’B’A’MABvM’B’A’MABvM’B’A’MAB相對S系，B’B和A’A兩事件同時發(fā)生，但兩處發(fā)出的光信號不同時到達M’。vM’B’A’MAB相對S’系，B’B和A’A兩事件不同時發(fā)生，但兩處發(fā)出的光信號同時到達M。vMABM’B’A’vMABM’B’A’26同時到達M,是S和S’公認的事實;不同時到達M’也是S和S’公認的事實。但B’B和A’A兩事件是否同時，S和S’

判斷結(jié)論不同，原因是各自的判據(jù)不同。同時性的相對性M’B’S’vA’SAMB27M’B’S’vA’SAMBB’B和A’A事件MA

、MBM’B’、

M’A’S系同時同時不同時S’系不同時同時不同時不同地點同一地點同一地點相對論效應(yīng)之一：同時性的相對性1、同時性的相對性是光速不變原理的直接結(jié)果2、當速度v

遠遠小于c

時，兩個慣性系結(jié)果相同28四、時鐘的同步問題①由中點M發(fā)出一光信號。當A、B兩只時鐘接收到光信號時，便把指針放在零